DE202022106977U1 - Mechanical barrier elements with flow-through cooling - Google Patents

Abstract

Barriereelement (400) zur Verwendung in elektrischen Leistungssystemen, wobei das Barriereelement (400) umfasst:
mindestens eine Isolierschicht (410); und
mindestens eine komprimierbare Schicht (420),
wobei die komprimierbare Schicht (420) ein Paar starrer Platten (422) und eins oder mehrere Federelemente (425) umfasst, die zwischen den starren Platten (422) angeordnet sind.

A barrier element (400) for use in electrical power systems, the barrier element (400) comprising:
at least one insulating layer (410); and
at least one compressible layer (420),
wherein the compressible layer (420) comprises a pair of rigid plates (422) and one or more spring elements (425) disposed between the rigid plates (422).

Description

GEBIET DER TECHNOLOGIEFIELD OF TECHNOLOGY

Die vorliegende Offenbarung bezieht sich im Allgemeinen auf Barrieren und Systeme zum Verhindern oder Abschwächen von Wärmeereignissen wie Probleme des thermischen Durchgehens, während gleichzeitig eine Fluidkühlung in Energiespeicherungssystemen bereitgestellt wird. Die vorliegende Offenbarung bezieht sich ferner auf ein Batteriemodul oder -pack mit einer oder mehreren Batteriezellen, die Barrieren einschließen, sowie Systeme, die diese Batteriemodule oder -packs einschließen.The present disclosure relates generally to barriers and systems for preventing or mitigating thermal events such as thermal runaway issues while providing fluid cooling in energy storage systems. The present disclosure further relates to a battery module or pack having one or more battery cells enclosing barriers and systems enclosing these battery modules or packs.

HINTERGRUNDBACKGROUND

Wiederaufladbare Batterien wie Lithium-Ionen-Batterien haben eine breite Anwendung in leistungsgetriebenen und Energiespeicherungssystemen gefunden. Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) sind in tragbaren elektronischen Vorrichtungen mit Leistungsantrieb wie Mobiltelefonen, Tablets, Laptops, Elektrowerkzeugen und anderen Hochstromvorrichtungen wie Elektrofahrzeugen aufgrund ihrer hohen Betriebsspannung, niedrigen Speichereffekten und hohen Energiedichte im Vergleich zu herkömmlichen Batterien weit verbreitet. Sicherheit ist jedoch ein Problem, da LIBs für katastrophale Fehler unter „Fehlanwendungsbedingungen“ anfällig sind, wie, wenn eine wiederaufladbare Batterie überladen (über die vorgesehene Spannung hinaus aufgeladen), überentladen, bei hoher Temperatur und hohem Druck betrieben oder diesen ausgesetzt wird. Infolgedessen sind enge Betriebstemperaturbereiche und Lade-/Entladeraten Einschränkungen bei der Verwendung von LIBs, da LIBs durch ein schnelles Selbsterwärmungs- oder thermisches Durchgehereignis versagen können, wenn sie Bedingungen außerhalb ihres Designfensters ausgesetzt werden.Rechargeable batteries such as lithium ion batteries have found wide application in power driven and energy storage systems. Lithium-ion batteries (LIBs) are widely used in portable power-driven electronic devices such as mobile phones, tablets, laptops, power tools, and other high-current devices such as electric vehicles due to their high operating voltage, low storage effects, and high energy density compared to traditional batteries. Safety is a concern, however, as LIBs are susceptible to catastrophic failure under "misuse" conditions, such as when a rechargeable battery is overcharged (charged beyond design voltage), overdischarged, operated at, or exposed to high temperature and pressure. As a result, narrow operating temperature ranges and charge/discharge rates are limitations in using LIBs, as LIBs can fail through a rapid self-heating or thermal runaway event when exposed to conditions outside of their design window.

Wie in 1 gezeigt, besteht die elektrochemische Zelle einer LIB hauptsächlich aus positiver Elektrode, negativer Elektrode, Elektrolyt, der in der Lage ist, Lithium-Ionen zu leiten, Separator, der die positive Elektrode und die negative Elektrode trennt, und Stromabnehmern. LiCoO₂, LiFePO₄, LiMn₂O₄, Li₂TiO₃, LiNi₀,₈ C_O0.15 Al_0,05O₂ (NCA) and LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂ (NMC) sind sechs Arten von Kathodenmaterial, das in Li-Ionen-Batterien weit verbreitet ist. Diese sechs Arten von Batterien belegen heute einen Großteil des Marktanteils auf dem Batteriemarkt. Der Elektrolyt besteht aus einem Lithiumsalz, das in einem spezifischen Lösungsmittel gelöst ist (hauptsächlich Ethylencarbonat (EC), Diethylcarbonat (DEC), Dimethylcarbonat (DMC), Propylencarbonat (PC) einschließend). Das Lithiumsalz ist üblicherweise ausgewählt aus LiClO₄, LiPF₆, LiBF₄, LiBOB usw. Separatormaterialien sind im Allgemeinen Harzmaterialien auf Polyolefinbasis.As in 1 As shown, the electrochemical cell of a LIB mainly consists of a positive electrode, a negative electrode, an electrolyte capable of conducting lithium ions, a separator separating the positive electrode and the negative electrode, and current collectors. LiCoO ₂ , LiFePO ₄ , LiMn ₂ O ₄ , Li ₂ TiO ₃ , LiNi _{0 .8} C _O0.15 Al _0.05 O ₂ (NCA) and LiNi _1/3 Co _1/3 Mn _1/3 O ₂ (NMC ) are six types of cathode material widely used in Li-ion batteries. These six types of batteries occupy a large part of the market share in the battery market today. The electrolyte consists of a lithium salt dissolved in a specific solvent (mainly including ethylene carbonate (EC), diethyl carbonate (DEC), dimethyl carbonate (DMC), propylene carbonate (PC)). The lithium salt is usually selected from LiClO ₄ , LiPF ₆ , LiBF ₄ , LiBOB, etc. Separator materials are generally polyolefin-based resin materials.

1 zeigt: Lithium-Ionen-Batteriezelle 1 mit Separator 2, Elektrolyt-Lithiumsalz 3 gelöst in organischem Lösungsmittel, Festelektrolytschnittstelle 4, Anode (Kohlenstoff) 5, Kathode (Lithiummetalloxid) 6, Anodenstromabnehmer (Kupfer) 7, und Kathodenstrom-Abnehmer (Aluminium) 8. 1 shows: lithium-ion battery cell 1 with separator 2, electrolyte lithium salt 3 dissolved in organic solvent, solid electrolyte interface 4, anode (carbon) 5, cathode (lithium metal oxide) 6, anode current collector (copper) 7, and cathode current collector (aluminum) 8 .

Mikroporöse Membranen aus Polypropylen (PP) und Polyethylen (PE) werden herkömmlich als Separatoren in einer kommerziellen Lithium-Ionen-Batterie verwendet. Als Stromabnehmer für die positive Elektrode wird gewöhnlich Aluminiumfolie verwendet und für die negative Elektrode Kupferfolie. Kohlenstoffbasierte Materialien, einschließlich Hartkohlenstoff, Kohlenstoffnanoröhrchen und Graphen, sind derzeit die primäre Wahl der meisten negativen Elektroden einer kommerziellen Lithium-Ionen-Batterie; andere neuartige Negativelektrodenmaterialien, wie titanbasierte Oxide, Legierungs-/Entlegierungsmaterialien und Umwandlungsmaterialien, wurden ebenfalls untersucht und zeigen eine gute thermische und elektrochemische Leistung.Polypropylene (PP) and polyethylene (PE) microporous membranes are commonly used as separators in a commercial lithium-ion battery. Aluminum foil is commonly used as the current collector for the positive electrode and copper foil for the negative electrode. Carbon-based materials, including hard carbon, carbon nanotubes, and graphene, are currently the primary choice for most commercial lithium-ion battery negative electrodes; other novel negative electrode materials, such as titanium-based oxides, alloying/de-alloying materials, and conversion materials, have also been studied and show good thermal and electrochemical performance.

Betrieb von LIBs unter normalen BedingungenOperation of LIBs under normal conditions

Bei normalen Betriebsvorgängen bewegen sich Lithium-Ionen durch Diffusion und Migration durch den Elektrolyten und den Separator von einer Elektrode zur anderen.During normal operations, lithium ions move from one electrode to the other by diffusion and migration through the electrolyte and separator.

Das Laden einer LIB bewirkt, dass Lithium-Ionen in der Elektrolytlösung durch einen Separator von der Kathode wandern und sich selbst in die Anode einfügen (2). Ladungsausgleichende Elektronen bewegen sich auch zu der Anode, gehen jedoch durch eine externe Schaltung in das Ladegerät. Beim Entladen tritt der umgekehrte Prozess auf, und Elektronen strömen durch die angetriebene Vorrichtung (2). Während dieses Prozesses wird Wärme innerhalb der Zelle über drei primäre Mechanismen erzeugt. Die erste ist reversible Wärme, die durch die Entropieänderung verursacht wird, die mit Redox-Reaktionen verbunden ist, die während des Lithiierungsprozesses (Entladung) und des Entlithiierungsprozesseses (Ladeprozess) auftreten. Reversible Wärme wird auch als Entropiewärme bezeichnet. Der zweite Mechanismus ist eine irreversible Wärme, die mit Elektrodenpolarisation verbunden ist, die durch das Überpotential in der Zelle verursacht wird. Schließlich besteht eine irreversible Wärme, die mit ohmschen Verlusten in Zusammenhang steht und als Joule-Erwärmung bezeichnet wird. Die Joule-Erwärmung ist auf die Bewegung der Lithium-Ionen und Elektronen innerhalb der Zelle zurückzuführen. Unter normalen Bedingungen ist die selbsterzeugte Wärme sehr gering und üblicherweise unerlässlich und kann problemlos über ein gutes Batteriedesign oder ein Batteriewärmemanagementsystem abgeführt werden. Unter Fehlanwendungsbedingungen können jedoch mehrere Nebenreaktionen auftreten, die ein thermisches Durchgehen verursachen. Das Verstehen der Ursachen des thermischen Durchgehens können das Design von Funktionsmaterialien zur Verbesserung von Sicherheit und Zuverlässigkeit von LIBs anleiten.Charging a LIB causes lithium ions in the electrolyte solution to migrate from the cathode through a separator and insert themselves into the anode ( 2 ). Charge-balancing electrons also move to the anode, but go into the charger through an external circuit. When discharging, the reverse process occurs, and electrons flow through the powered device ( 2 ). During this process, heat is generated within the cell via three primary mechanisms. The first is reversible heat caused by the entropy change associated with redox reactions that occur during the lithiation (discharging) and delithiation (charging) processes. Reversible heat is also known as entropy heat. The second mechanism is irreversible heat associated with electrode polarization caused by the overpotential in the cell. Finally, there is an irreversible heat related to ohmic losses called Joule heating. Joule heating is due to the movement of the lithium ions and electrons within the cell. Under normal conditions, the self-generated heat is very small and usually essential and can easily dissipated via a good battery design or battery thermal management system. However, under misuse conditions, several side reactions can occur that cause thermal runaway. Understanding the causes of thermal runaway can guide the design of functional materials to improve the safety and reliability of LIBs.

2 zeigt Stromabnehmer (Cu)^- 9, Stromabnehmer (Al)⁺ 10, Separator 2, Anode 11, Kathode 12, Entladen (S1), Entladen (S2), Laden (S3) und Laden (S4). 2 shows current collector (Cu) ^- 9, current collector (Al) ⁺ 10, separator 2, anode 11, cathode 12, discharging (S1), discharging (S2), charging (S3) and charging (S4).

Übersicht über thermisches Durchgehen und Ausbreitung von thermischem DurchgehenOverview of thermal runaway and propagation of thermal runaway

Thermisches Durchgehen kann auftreten, wenn die interne Reaktionsrate so weit zunimmt, dass mehr Wärme erzeugt wird als abgeführt werden kann, was zu einer weiteren Erhöhung sowohl der Reaktionsrate als auch der Wärmeerzeugung führt. Während eines thermischen Durchgehens lösen hohe Temperaturen eine Kette exothermer Reaktionen in einer Batterie aus, wodurch die Temperatur der Batterie schnell ansteigt. In vielen Fällen erwärmt die erzeugte Wärme beim thermischen Durchgehen in einer Batteriezelle schnell die Zellen in unmittelbarer Nähe der Zelle, die das thermische Durchgehen durchmacht. Jede Zelle, die einer thermischen Durchgehreaktion hinzugefügt wird, enthält zusätzliche Energie, um die Reaktionen fortzusetzen, was eine Verbreitung des thermischen Durchgehens innerhalb des Batteriepacks bewirkt (3) und schließlich zu einer Katastrophe mit Brand oder Explosion führt. Eine schnelle Wärmeabgabe und eine wirksame Blockierung von Wärmeübertragungswegen können wirksame Gegenmaßnahmen sein, um die Gefahr zu verringern, die durch das thermische Durchgehen verursacht wird.Thermal runaway can occur when the internal reaction rate increases to the point that more heat is generated than can be dissipated, resulting in a further increase in both reaction rate and heat generation. During a thermal runaway, high temperatures initiate a chain of exothermic reactions in a battery, causing the battery's temperature to rise rapidly. In many cases, during thermal runaway in a battery cell, the heat generated quickly heats the cells in close proximity to the cell undergoing thermal runaway. Each cell added to a thermal runaway reaction contains additional energy to continue the reactions, causing thermal runaway propagation within the battery pack ( 3 ) eventually leading to a fire or explosion disaster. Rapid heat release and effective blocking of heat transfer paths can be effective countermeasures to reduce the hazard caused by thermal runaway.

Gründe für thermisches Durchgehen - FehlanwendungsbedingungenReasons for thermal runaway - misuse conditions

Ein thermisches Durchgehen kann durch verschiedene Arten von Fehlanwendung ausgelöst werden, einschließlich mechanischer Fehlanwendung, elektrischer Fehlanwendung und thermischer Fehlanwendung (3). Jede Art von Fehlanwendung kann einen internen Kurzschluss (ISC) in Batterien induzieren, was zu erhöhten Temperaturen führt. Fehlanwendungsbedingungen können extern oder intern ausgelöst werden. Zum Beispiel sind einsatzinduzierte Belastung, Alterung, Fehler im Design, z. B. Konfigurationsparameter wie Zellenabstand, Zellenverbindungsstil, Zellenformfaktor, Herstellung, Betrieb und Wartung interne Faktoren, die verschiedene Arten von Fehlanwendung verursachen können. Externe Faktoren schließen Schäden oder Beeinträchtigungen einer LIB, wie aufgrund eines Herunterfallens oder einer Penetration der Zelle, ein. 3 zeigt: Zerkleinern S5, Penetr. S6, Überlad. S7, Überlad. S8, Überhitzung S9, Fehlanwendung S10, Thermisches Durchgehen S 11, Ausbreitung S12.Thermal runaway can be initiated by several types of misuse, including mechanical misuse, electrical misuse, and thermal misuse ( 3 ). Any kind of misuse can induce an internal short circuit (ISC) in batteries, leading to elevated temperatures. Misuse conditions can be triggered externally or internally. For example, use-induced stress, aging, design flaws, e.g. B. Configuration parameters such as cell spacing, cell connection style, cell form factor, manufacture, operation and maintenance are internal factors that can cause various types of misuse. External factors include damage or impairment of a LIB, such as due to cell dropping or penetration. 3 shows: Shredding S5, Penetr. S6, overload. S7, overload S8, Overheating S9, Misuse S10, Thermal Runaway S11, Spreading S12.

Mechanische FehlanwendungMechanical misuse

Die mechanische Fehlanwendung wird hauptsächlich durch mechanische Kraft verursacht und tritt herkömmlich aufgrund von externen Faktoren auf, wie einem schweren Autounfall, einschließlich einer Kollision, einer Quetschung, einer Penetration und einer Biegung. Wenn die Batterie oder das Batteriepack einen Schlag erhalten oder an einer Kollision beteiligt sind, können mögliche Schäden innerhalb Batterien auftreten, einschließlich eines Bruchs des Separators und des Auslaufens von entzündlichem Elektrolyt, sodass ein ISC ausgelöst wird, der dann zu thermischem Durchgehen führt. Destruktive Verformung und Verlagerung, die durch angelegte Kraft verursacht werden, sind die zwei herkömmlichen Merkmale einer mechanischen Fehlanwendung. Eine Verformung des Batteriepacks ist bei einer Autokollision durchaus möglich. Das Layout des Batteriepacks an Bord eines Elektrofahrzeugs beeinträchtigt die Unfallreaktion des Batteriepacks. Die Verformung des Batteriepacks kann zu gefährlichen Konsequenzen führen: Der Batterieseparator kann zerrissen werden und der interne Kurzschluss (ISC) findet statt; der entzündliche Elektrolyt läuft aus und verursacht möglicherweise einen daraus folgenden Brand. Penetration ist ein weiteres übliches Phänomen, das während der Fahrzeugkollision auftreten kann. Im Vergleich mit den Quetschbedingungen kann bei Beginn einer Penetration augenblicklich ein schwerer ISC ausgelöst werden. Die mechanische Zerstörung und der elektrische Kurzschluss treten gleichzeitig auf und die Fehlanwendungsbedingung der Penetration könnte schwerwiegender sein als die einer einfachen mechanischen oder elektrischen Fehlanwendung.The mechanical misuse is mainly caused by mechanical force and commonly occurs due to external factors such as a serious car accident including collision, crushing, penetration and bending. If the battery or battery pack receives an impact or is involved in a collision, potential internal battery damage may occur, including rupture of the separator and leakage of flammable electrolyte, triggering an ISC, which then leads to thermal runaway. Destructive deformation and displacement caused by applied force are the two common hallmarks of mechanical misuse. Deformation of the battery pack is quite possible in a car collision. The layout of the battery pack onboard an electric vehicle affects the crash response of the battery pack. The deformation of the battery pack can lead to dangerous consequences: the battery separator can be torn and the internal short circuit (ISC) will take place; the flammable electrolyte leaks, possibly causing a resulting fire. Penetration is another common phenomenon that can occur during vehicle collision. A severe ISC can be triggered instantaneously when penetrating, compared to crush conditions. The mechanical destruction and the electrical short occur simultaneously and the misuse condition of penetration could be more severe than that of a simple mechanical or electrical misuse.

Elektrische FehlanwendungElectrical misuse

Die elektrische Fehlanwendung schließt hauptsächlich das interne oder externe Kurzschließen einer LIB, Überladung und Überentladung ein.Electrical misuse primarily includes internal or external shorting of a LIB, overcharging, and overdischarging.

Der interne Kurzschluss erfolgt in mehr als 90 % der Fehlanwendungen. Allgemein tritt der interne Kurzschluss auf, wenn die Kathode und die Anode aufgrund des Ausfalls des Batterieseparators aufeinander treffen. Der interne Kurzschluss kann durch (1) mechanische Fehlanwendung verursacht werden, wenn der Separator durch Penetration oder Quetschung zerbrochen wird; (2) elektrische Fehlanwendung, wenn der Separator durch Dendritenwachstum durchstochen wird (4); und (3) thermische Fehlanwendung, wenn der Separator bei einer hohen Temperatur kollabiert. 4 zeigt: Kathode 13, Separator 14, Li-Anode 15, Dendriten 16.The internal short circuit occurs in more than 90% of incorrect applications. Generally, the internal short circuit occurs when the cathode and the anode meet due to the failure of the battery separator. The internal short can be caused by (1) mechanical misuse when the separator is broken by penetration or crushing; (2) electrical misuse when the separator is punctured by dendrite growth ( 4 ); and (3) thermal cal misuse when the separator collapses at a high temperature. 4 shows: cathode 13, separator 14, Li anode 15, dendrites 16.

Der externe Kurzschluss bildet sich, wenn die Elektroden mit Spannungsdifferenz durch Leiter verbunden sind. Der externe Kurzschluss des Batteriepacks kann durch Verformung während einer Autokollision, Wasserimmersion, Kontamination mit Leitern oder Elektroschock während der Wartung usw. verursacht werden. Im Vergleich zur Penetration erwärmt die Wärme, die beim externen Kurzschluss freigesetzt wird, die Zelle nicht. Der externe Kurzschluss kann zu großem Strom und hoher Wärmeerzeugung in der Batterie führen, was hauptsächlich durch ohmsche Wärmeerzeugung verursacht wird. Wenn die Temperatur etwa 70 °C zu überschreiten beginnt, beginnt die Zelle zu brechen. Infolgedessen können Entlüftung und Elektrolytleckage ausgelöst werden.The external short circuit is formed when the electrodes with voltage difference are connected by conductors. The battery pack external short circuit may be caused by deformation during car collision, water immersion, contamination with conductors or electric shock during maintenance, etc. Compared to penetration, the heat released in the external short circuit does not heat the cell. The external short circuit can lead to large current and high heat generation in the battery, which is mainly caused by resistive heat generation. When the temperature starts to exceed about 70°C, the cell starts to crack. As a result, venting and electrolyte leakage may be triggered.

Ein Überladen kann als Laden einer Batterie über ihre vorgesehene Spannung definiert werden. Ein Überladen kann durch hohe spezifische Stromdichten, aggressive Ladeprofile usw., die eine Reihe von Problemen herbeiführen können, einschließlich der Abscheidung von Li-Metall auf der Anode, welche die elektrochemische Leistung und Sicherheit der Batterie stark beeinflusst; Zersetzung des Kathodenmaterials, Freisetzen von Sauerstoff; und Zersetzung des organischen Elektrolyten, Freisetzung von Wärme und gasförmigen Produkten (H₂, Kohlenwasserstoffe, CO usw.) ausgelöst werden. Ein Überladeprozess kann in drei Phasen unterteilt werden. In der ersten Phase (1) sind Spannung und Temperatur nicht beeinflusst und bleiben im Wesentlichen unverändert. In der zweiten Phase (2) erfolgt die Lithiumdendritabscheidung an der Spannungsplattform. Und in der dritten Phase (3) fällt die Spannung drastisch ab, da Wärme und Gas erzeugt werden, was ein thermisches Durchgehen in der Batterie bewirkt.Overcharging can be defined as charging a battery above its designed voltage. Overcharging can be caused by high specific current densities, aggressive charging profiles, etc., which can bring about a number of problems including Li metal deposition on the anode, which greatly affects the battery's electrochemical performance and safety; Decomposition of the cathode material, release of oxygen; and decomposition of the organic electrolyte, release of heat and gaseous products (H ₂ , hydrocarbons, CO, etc.). An overcharge process can be divided into three phases. In the first phase (1), voltage and temperature are unaffected and remain essentially unchanged. In the second phase (2), the lithium dendrite is deposited on the voltage platform. And in the third phase (3), the voltage drops drastically as heat and gas are generated, causing thermal runaway in the battery.

Die Überentladung ist eine weitere mögliche elektrische Fehlanwendung. Im Allgemeinen ist die Spannungsunregelmäßigkeit zwischen den Zellen innerhalb des Batteriepacks unvermeidbar. Daher wird, sobald das Batteriemanagementsystem die Spannung einer einzelnen Zelle fälschlicherweise nicht überwacht, die Zelle mit der niedrigsten Spannung überentladen. Der Mechanismus der Überentladefehlanwendung unterscheidet sich von anderen, und die mögliche Gefahr kann unterschätzt werden. Die Zelle mit der niedrigsten Spannung im Batteriepack kann durch die anderen Zellen, die während der Überentladung in Reihe geschaltet sind, zwangsweise entladen werden. Während der Zwangsentladung kehrt der Pol um und die Spannung der Zelle wird negativ, was zu einer anormalen Wärmeerzeugung an der überentladenen Zelle führt.Overdischarging is another potential electrical misuse. In general, the voltage irregularity between cells within the battery pack is unavoidable. Therefore, when the battery management system erroneously fails to monitor the voltage of an individual cell, the cell with the lowest voltage will overdischarge. The mechanism of overdischarge misuse is different from others, and the potential danger can be underestimated. The lowest voltage cell in the battery pack may be forcibly discharged by the other cells connected in series during over-discharge. During forced discharge, the pole reverses and the cell voltage becomes negative, resulting in abnormal heat generation at the over-discharged cell.

Thermische FehlanwendungThermal misuse

Eine thermische Fehlanwendung wird üblicherweise durch Überhitzung ausgelöst. Die Überhitzung in einer Lithium-Ionen-Batterie kann durch mechanische Fehlanwendung, elektrische Fehlanwendung und Kontaktverlust des Verbinders verursacht werden. Typischerweise sind LIBs bei normalen Betriebstemperaturen stabil; oberhalb einer bestimmten Temperatur wird die LIB-Stabilität jedoch weniger vorhersagbar, und bei erhöhten Temperaturen erzeugen chemische Reaktionen innerhalb des Batteriegehäuses Gase, die zu einer Erhöhung des Innendrucks innerhalb des Batteriegehäuses führen. Diese Gase können mit der Kathode weiter reagieren, mehr Wärme abgeben und Temperaturen innerhalb oder benachbart zu der Batterie erzeugen, die den Elektrolyten in Gegenwart von Sauerstoff entzünden können. Wenn der Elektrolyt brennt, wird Sauerstoff erzeugt, was die Verbrennung weiter antreibt. Zu einem gewissen Punkt führt ein Druckaufbau innerhalb des Batteriegehäuses zu einem Bruch im Batteriegehäuse. Das austretende Gas kann sich entzünden und verbrennen.Thermal misuse is usually caused by overheating. Overheating in a lithium-ion battery can be caused by mechanical misuse, electrical misuse, and connector loss of contact. Typically, LIBs are stable at normal operating temperatures; however, above a certain temperature, LIB stability becomes less predictable, and at elevated temperatures, chemical reactions within the battery case produce gases that lead to an increase in internal pressure within the battery case. These gases can further react with the cathode, giving off more heat and creating temperatures within or adjacent to the battery that can ignite the electrolyte in the presence of oxygen. When the electrolyte burns, oxygen is produced, which further fuels the combustion. At some point, pressure build-up within the battery case will cause the battery case to rupture. The escaping gas can ignite and burn.

Thermisches Durchgehen durch mechanische, elektrische und thermische Fehlanwendungsbedingungen kann eine kontinuierliche Wärmeerzeugung verursachen und folglich die Temperatur innerhalb der Batterie erhöhen. Eine Reihe von Kettenreaktionen kann in unterschiedlichen Phasen mit der steigenden Temperatur auftreten. Das thermische Durchgehen folgt einem Mechanismus von Kettenreaktionen, z. B. physikalischen und/oder chemischen Prozessen, bei denen die Zersetzungsreaktion der Batteriekomponentenmaterialien nacheinander stattfindet (3).Thermal runaway from mechanical, electrical and thermal misuse conditions can cause continuous heat generation and consequently increase the temperature within the battery. A number of chain reactions can occur in different phases with increasing temperature. The thermal runaway follows a mechanism of chain reactions, e.g. B. Physical and/or chemical processes in which the decomposition reaction of the battery component materials takes place sequentially ( 3 ).

Übersicht über die Kettenreaktionen während des thermischen DurchgehensOverview of chain reactions during thermal runaway

Die Entwicklung dieser physikalischen und/oder chemischen Prozesse hilft bei der Entwicklung der Abschwächungsstrategien für das thermische Durchgehen von LIBs. LIBs können unterschiedliche Ursachen für thermisches Durchgehen bei unterschiedlichen Temperaturzuständen oder Regimes aufweisen (5), einschließlich Zustand I: niedrige Temperatur (<0 °C), Zustand II: normale Temperatur (0-90 °C) und Zustand III: hohe Temperatur (>90 °C).The development of these physical and/or chemical processes helps in the development of the mitigation strategies for the thermal runaway of LIBs. LIBs can have different causes of thermal runaway at different temperature states or regimes ( 5 ), including condition I: low temperature (<0 °C), condition II: normal temperature (0-90 °C), and condition III: high temperature (>90 °C).

5 zeigt: Zustände I, II, III; Anode 17; Separator 18 und Flüssigelektrolyt 19; Kathode 20; Lithium Dendrit 21; Separatorfehler (S13); Überladen (S14); Zellquetschung (S15); Großer Strom 22; Batterietemperatur steigt (S16); separatorschmelze (S 17); SEI-Zersetzung (S 18); Anodenexposition (S 19); Temperatur steigt weiter (S20); Kathodenzersetzung (S21); Sauerstoff freigesetzt (S22); Wärme 23; Sauerstoff 24; Kraftstoff 25; Verbrennung von Flüssigelektrolyt (S23); Feuer, Explosionen 26." 5 shows: states I, II, III; anode 17; separator 18 and liquid electrolyte 19; cathode 20; lithium dendrite 21; separator error (S13); Overcharge (S14); cell crush (S15); Big Stream 22; battery temperature rises (S16); separator melt (S 17); SEI decomposition (S 18); anode exposure (S 19); temperature continues to rise (S20); cathode decomposition (S21); oxygen released (S22); warmth 23; oxygen 24; fuel 25; incineration of liquid electrolyte (S23); fire, explosions 26."

In Zustand I können LIBs nicht effizient arbeiten, da niedrige Temperaturen zu verringerten elektrochemischen Reaktionsraten führen. Bei niedrigerer Temperatur nimmt die Batterieleistung aufgrund der Verringerung der Aktivität von Elektrodenmaterial und Lithium-Ionen-Diffusionsrate im Elektrolyten dramatisch ab. Konsequenzen der verzögerten chemischen Reaktionen bei niedrigen Temperaturen schließen unerwünschte Li-Abscheidung, Beschichtung und Dendritenwachstum ein. Dendriten sind baumähnliche Strukturen, die sich auf der Lithiumplattierung in einer Batterie bilden können. Sie können schnell einen Batterieseparator, eine poröse Kunststofffolie zwischen der Anode und der Kathode der Batterie durchdringen ( 4). Li-Abscheidung und Dendritenwachstum innerhalb einer Zelle werden als die wichtigsten Faktoren betrachtet, die dazu beitragen, thermisches Durchgehen bei niedriger Temperatur zu induzieren. Ohne an eine Theorie gebunden sein zu wollen, wird angenommen, dass die unerwünschten Li-Ablagerungen und Dendriten einen ISC in der Batterie verursachen können, was zum thermischen Durchgehen führt.In state I, LIBs cannot work efficiently because low temperatures lead to reduced electrochemical reaction rates. At lower temperature, battery performance decreases dramatically due to the reduction in activity of electrode material and lithium ion diffusion rate in the electrolyte. Consequences of delayed chemical reactions at low temperatures include unwanted Li deposition, coating and dendrite growth. Dendrites are tree-like structures that can form on the lithium plating in a battery. They can quickly penetrate a battery separator, a porous plastic film between the anode and cathode of the battery ( 4 ). Li segregation and dendrite growth within a cell are considered to be the most important factors contributing to inducing low-temperature thermal runaway. Without wishing to be bound by theory, it is believed that the unwanted Li deposits and dendrites can cause ISC in the battery, leading to thermal runaway.

In Zustand II (Normaltemperaturbetrieb) ist die Wärmeerzeugung im Vergleich zu der im thermischen Durchgehprozessen erzeugten Wärme minimal. Die Wärmeerzeugung während dieses Betriebszustands wird hauptsächlich durch die Li-Ionendiffusion in fester und flüssiger Phase, elektrochemische Reaktionen an der Fest-Flüssig-Grenzfläche und Nebenreaktionen verursacht. Die Wärmeerzeugung kann einen Temperaturanstieg und eine Temperaturdifferenz innerhalb der Batterie verursachen, wobei diese Temperaturdifferenz die Lebensdauer und Sicherheit der Lithium-Ionen-Batterie beeinflussen können. Während Stufe II kann die anfängliche Überhitzung aufgrund mindestens eines oben erwähnten internen oder externen Grundes, wie Überladung der Batterie, Exposition gegenüber übermäßigen Temperaturen, externe Kurzschlüsse aufgrund fehlerhafter Verdrahtung oder interne Kurzschlüsse aufgrund von Zellfehlern auftreten. Wenn eine anfängliche Überhitzung beginnt, ändert sich der Batteriebetrieb von einem normalen in einen anormalen Zustand, wenn die Temperatur in Richtung 90 °C ansteigt. Wenn die Temperatur höher als 40 °C wird, kann sich die Lebensdauer der Lithium-Ionen-Batterie aufgrund der beschleunigten Nebenreaktionen verkürzen, und wenn die Temperatur nahe 90 °C oder sogar höher ist, kann die Zersetzung der Festelektrolytinterphasen-(SEI)-Folie ausgelöst werden, was als Beginn eines thermischen Durchgehens definiert ist. Die SEI wird während der ersten wenigen Ladezyklen auf der Anode von Lithium-Ionen-Batterien erzeugt. Die SEI stellt eine Passivierungsschicht auf der Anodenoberfläche bereit, die eine weitere Elektrolytzersetzung hemmt und die lange Kalenderlebensdauer bietet, die für viele Anwendungen erforderlich ist. Die anfängliche Zersetzung der SEI wird als die erste Nebenreaktion betrachtet, die während des vollständigen thermischen Durchgehens auftritt. Die anfängliche Zersetzung der SEI erfolgt bei 80-120 °C, mit einem Peak bei etwa 100 °C. Die Anfangstemperatur kann niedriger als 80 °C sein, wie Wang et al. (Thermochim. Acta 437 (2005) 12-16) berichtete, dass die SEI-Zersetzung ab einer Temperatur von nur 57 °C beginnen könnte.In state II (normal temperature operation), the heat generation is minimal compared to the heat generated in the thermal runaway processes. Heat generation during this operating condition is mainly caused by Li-ion diffusion in solid and liquid phases, electrochemical reactions at the solid-liquid interface, and side reactions. The heat generation can cause temperature rise and temperature difference inside the battery, which temperature difference can affect the life and safety of the lithium-ion battery. During Stage II, the initial overheating may occur due to at least one of the internal or external reasons mentioned above, such as overcharging the battery, exposure to excessive temperatures, external shorts due to faulty wiring, or internal shorts due to cell failure. When an initial overheating begins, battery operation changes from normal to abnormal as the temperature rises towards 90°C. When the temperature becomes higher than 40°C, the life of the lithium-ion battery may be shortened due to the accelerated side reactions, and when the temperature is close to 90°C or even higher, the decomposition of the solid electrolyte interphase (SEI) foil may occur be triggered, which is defined as the onset of a thermal runaway. The SEI is generated on the anode of lithium-ion batteries during the first few charge cycles. The SEI provides a passivation layer on the anode surface that inhibits further electrolyte degradation and provides the long calendar life required for many applications. The initial decomposition of the SEI is considered to be the first side reaction to occur during full thermal runaway. Initial decomposition of the SEI occurs at 80-120°C, peaking at around 100°C. The initial temperature can be lower than 80 °C as reported by Wang et al. (Thermochim. Acta 437 (2005) 12-16) reported that SEI decomposition could start from a temperature as low as 57 °C.

Zersetzung der SEIDecomposition of the SEI

Wenn Stufe III beginnt, steigt die Innentemperatur schnell an, was zu der Zersetzung der SEI-Folie führt. Die SEI-Schicht besteht hauptsächlich aus stabilen (wie LiF und Li2CO3) und metastabilen (wie Polymeren, ROCO₂Li, (CH₂OCO₂Li)₂ und ROLi) Komponenten. Die metastabilen Komponenten können sich jedoch bei grob > 90 °C exotherm zersetzen, wodurch entzündliche Gase und Sauerstoff freigesetzt werden. Die Zersetzung der SEI-Folie wird als Beginn des thermischen Durchgehens betrachtet, und danach werden eine Reihe von exothermen Reaktionen ausgelöst.When Stage III begins, the internal temperature rises rapidly, leading to the degradation of the SEI film. The SEI layer mainly consists of stable (like LiF and Li2CO3) and metastable (like polymers, ROCO ₂ Li, (CH ₂ OCO ₂ Li) ₂ and ROLi) components. However, the metastable components can decompose exothermically at roughly > 90 °C, releasing flammable gases and oxygen. The decomposition of the SEI film is considered to be the start of the thermal runaway, after which a series of exothermic reactions are initiated.

Mit der Zersetzung der SEI baut sich die Temperatur auf und das Lithiummetall oder interkaliertes Lithium in der Anode reagieren mit den organischen Lösungsmitteln im Elektrolyten, wodurch brennbare Kohlenwasserstoffe freigesetzt werden (Ethan, Methan und andere). Dies ist eine exotherme Reaktion, welche die Temperatur weiter erhöht.As the SEI decomposes, the temperature builds and the lithium metal or intercalated lithium in the anode reacts with the organic solvents in the electrolyte, releasing combustible hydrocarbons (ethane, methane, and others). This is an exothermic reaction which further increases the temperature.

Zersetzung des SeparatorsDecomposition of the separator

Wenn T > ~130 °C ist, beginnt der Polyethylen (PE)-/Polypropylen (PP)-Separator zu schmelzen, was die Situation weiter verschlechtert und einen Kurzschluss zwischen der Kathode und der Anode verursacht. Obwohl das Schmelzen des PE/PP-Separators ein Wärmeadsorptionsprozess ist, verschlechtert der ISC, der durch die Separatorschmelze verursacht wird, den thermischen Durchgehprozess weiter.When T > ~130 °C, the polyethylene (PE)/polypropylene (PP) separator starts to melt, which further worsens the situation and causes a short circuit between the cathode and the anode. Although the melting of the PE/PP separator is a heat adsorption process, the ISC caused by the separator melt further worsens the thermal runaway process.

Gasemission und Zersetzung von ElektrolytGas emission and decomposition of electrolyte

Wenn T > ~180 °C ist, verursacht durch ISC erzeugte Wärme die Zersetzung des Lithiummetalloxid-Kathodenmaterials und führt zu einer Freisetzung von Sauerstoff. Der Abbau der Kathode ist auch stark exotherm, was die Temperatur und den Druck weiter erhöht und dadurch die Reaktionen weiter beschleunigt. Die Wärmeakkumulation und Gasfreisetzung (Sauerstoff und entzündliche Gase) induzieren dann eine Verbrennung und Explosion der Lithium-Ionen-Batterie.When T > ~180°C, heat generated by ISC causes decomposition of the lithium metal oxide cathode material and results in release of oxygen. Decomposition of the cathode is also highly exothermic, which further increases the temperature and pressure, thereby further accelerating the reactions. The heat accumulation and gas release (oxygen and flammable gases) then induce combustion and explosion of the lithium-ion battery.

Im thermischen Durchgehprozess beträgt die durch ISC verursachte Wärmeerzeugung nur 2 % und chemische Reaktionen betragen 98 %, einschließlich der Zersetzung der SEI-Schicht, Zersetzung von Elektrolyt usw. Der größte Anteil der Wärmeentwicklung wird durch schnelle Oxidations-Reduktions-Reaktion zwischen der Kathode und der Anode, etwa 48 %, verursacht, während die Wärmeerzeugung anderer chemischer Reaktionen in Anode, Kathode und Elektrolyt viel kleiner ist. Die geringste Wärmeerzeugung ist die Zersetzung der SEI-Folie.In the thermal runaway process, the heat generation caused by ISC is only 2%, and chemical reactions are 98%, including the decomposition of SEI layer, decomposition of electrolyte, etc. Most of the heat generation is caused by rapid oxidation-reduction reaction between the cathode and the cathode anode, about 48%, while the heat generation of other chemical reactions in the anode, cathode and electrolyte is much smaller. The least heat generation is the decomposition of the SEI film.

Bedarf an Abschwächungsstrategien für thermisches DurchgehenNeed for thermal runaway mitigation strategies

Basierend auf dem Verständnis der Mechanismen, die zu einem thermischen Durchgehen der Batterie führen, werden derzeit viele Ansätze untersucht, mit dem Ziel, Sicherheitsgefahren durch das rationale Design von Batteriekomponenten zu reduzieren. Um zu verhindern, dass solche kaskadierenden thermischen Durchgehereignisse stattfinden, sind LIBs üblicherweise so ausgelegt, dass sie entweder die ausreichend niedrige Energie halten oder genügend Isoliermaterial zwischen Zellen innerhalb des Batteriemoduls oder -packs verwenden, um sie von thermischen Ereignissen zu isolieren, die in einer benachbarten Zelle oder einer Kombination davon auftreten können. Ersteres schränkt die Energiemenge stark ein, die möglicherweise in einer solchen Vorrichtung gespeichert werden könnte. Letzteres begrenzt, wie nahe Zellen platziert werden können und begrenzt dadurch die effektive Energiedichte. Es besteht ein Bedarf an effektiven Isolier- und Wärmeableitungsstrategien, um die thermischen Durchgehmöglichkeiten von LIBs abzuschwächen.Based on the understanding of the mechanisms leading to battery thermal runaway, many approaches are currently being explored with the aim of reducing safety hazards through the rational design of battery components. To prevent such cascading thermal runaway events from happening, LIBs are commonly designed to either hold the sufficiently low energy or use enough insulating material between cells within the battery module or pack to isolate them from thermal events occurring in an adjacent one cell or a combination thereof can occur. The former severely limits the amount of energy that could potentially be stored in such a device. The latter limits how close cells can be placed and thereby limits the effective energy density. There is a need for effective insulation and heat dissipation strategies to mitigate the thermal runaway potential of LIBs.

Aktuelle Wärmeableitungsmethoden, die für LIBs verwendet werdenCurrent heat dissipation methods used for LIBs

Derzeit gibt es eine Reihe unterschiedlicher Methoden, die eingesetzt werden, um die Energiedichte zu maximieren und gleichzeitig vor kaskadierendem thermischem Durchgehen zu schützen. Ein Ansatz besteht darin, eine ausreichende Menge an Isolierung zwischen Zellen oder Zellclustern zu integrieren. Man geht im Allgemeinen davon aus, dass dieser Ansatz aus dem Blickwinkel der Sicherheit erwünscht ist; bei diesem Ansatz geben jedoch die Fähigkeit des Isoliermaterials, die Wärme zu begrenzen, kombiniert mit dem Volumen der erforderlichen Isolierung die Obergrenzen der Energiedichte vor, die erreicht werden können. Ein weiterer Ansatz ist die Verwendung von Phasenwechselmaterialien. Diese Materialien machen bei Erreichen einer bestimmten erhöhten Temperatur einen endothermen Phasenwechsel durch. Der endotherme Phasenwechsel absorbiert einen Anteil der erzeugten Wärme und kühlt dadurch den lokalisierten Bereich. Typischerweise beruhen diese Phasenwechselmaterialien für elektrische Speichervorrichtungen auf Kohlenwasserstoffmaterialien wie zum Beispiel Wachse und Fettsäuren. Diese Systeme sind bei Kühlung wirksam, sind aber selbst brennbar und daher nicht vorteilhaft, um ein thermisches Durchgehen nach Zündung innerhalb der Speichervorrichtung zu verhindern. Die Einbeziehung von intumeszierenden Materialien ist eine weitere Strategie, um ein kaskadierendes thermisches Durchgehen zu verhindern. Diese Materialien dehnen sich über einer festgelegten Temperatur aus und produzieren eine Veraschung, die mit einem leichten Gewicht konstruiert ist und bei Bedarf thermische Isolierung bereitstellt. Diese Materialien können wirksam sein, um Isoliervorteile bereitzustellen, aber die Expansion des Materials muss bei der Konstruktion der Speichervorrichtung berücksichtigt werden.There are currently a number of different methods used to maximize energy density while protecting against cascading thermal runaway. One approach is to incorporate a sufficient amount of insulation between cells or cell clusters. It is generally believed that this approach is desirable from a security perspective; however, with this approach, the ability of the insulating material to contain heat combined with the volume of insulation required dictate the upper limits of energy density that can be achieved. Another approach is the use of phase change materials. These materials undergo an endothermic phase change upon reaching a certain elevated temperature. The endothermic phase change absorbs a portion of the heat generated, thereby cooling the localized area. Typically, these phase change materials for electrical storage devices are based on hydrocarbon materials such as waxes and fatty acids. These systems are effective when cooled, but are themselves combustible and therefore not beneficial to prevent thermal runaway upon ignition within the storage device. The inclusion of intumescent materials is another strategy to prevent cascading thermal runaway. These materials expand above a set temperature, producing an ash that is constructed to be lightweight and provide thermal insulation when needed. These materials can be effective to provide insulating benefits, but the expansion of the material must be considered when designing the memory device.

Bedarf an neuartigen thermischen Barrieren, die mechanische Anforderungen an LIBs-Systeme erfüllenNeed for novel thermal barriers that meet mechanical requirements of LIBs systems

Das Schwellen der Anode und der Kathode während der Aufladung und der Entladung kann zu einer Änderung der Abmessungen (Schwellen) der Zelle führen. Silicium weist beispielsweise eine typische Volumenänderung von bis zu 300 % während der Interkalation auf und Graphit weist eine Volumenexpansion von etwa 10 % auf. Diese Änderung weist sowohl eine reversible als auch eine irreversible Komponente auf, wobei die Größe von der genauen Zellchemie abhängt. Die reversible Änderung der Zelldicke hängt ausschließlich vom Ladezustand (SOC) der Zelle ab und kann zu einer Erhöhung der Dicke von mehr als 2 % führen. Die irreversible Schwellung der Zelle ist mit einem Anstieg des Drucks innerhalb der Zelle verbunden und wird durch die Bildung der SEI verursacht. Die größte Komponente dieser Änderung tritt während des ersten Ladezyklus auf, wenn die SEI anfänglich gebildet wird, die Schwellung dauert jedoch während der Lebensdauer der Zelle an.The swelling of the anode and cathode during charging and discharging can lead to a change in the dimensions (swelling) of the cell. For example, silicon typically exhibits a volume change of up to 300% during intercalation, and graphite exhibits a volume expansion of about 10%. This change has both a reversible and an irreversible component, the magnitude of which depends on the precise cell chemistry. The reversible change in cell thickness depends solely on the state of charge (SOC) of the cell and can lead to an increase in thickness of more than 2%. The irreversible swelling of the cell is associated with an increase in pressure inside the cell and is caused by the formation of the SEI. The largest component of this change occurs during the first charge cycle when the SEI is initially formed, but swelling persists throughout the life of the cell.

Wenngleich umfangreiche Forschungen durchgeführt wurden, um neue Materialien zu schaffen, die günstige thermische Eigenschaften besitzen, um thermisches Durchgehen zu vermeiden, haben die mechanischen Eigenschaften dieser Materialien trotz ihrer Bedeutung nicht so viel Aufmerksamkeit erhalten. Zum Beispiel besteht ein Bedarf an effektiven thermischen Barrieren, die zwischen Zellen innerhalb eines Batteriemoduls oder Batteriepacks verwendet werden, die eine Beständigkeit gegen Kompressionsverformung bereitstellen können, um dem Schwellen der Zellen, das während der Lebensdauer der Zelle fortdauert, Rechnung zu tragen. Außerdem wird während der ersten Montage eines Batteriemoduls üblicherweise eine relativ niedrige Last von 1 MPa oder weniger an die Materialien zwischen Zellen angelegt. Wenn sich die Zellen innerhalb eines Batteriemoduls oder eines Batteriepacks während Lade-/Entladezyklen expandieren oder anschwellen, kann eine Last von bis zu etwa 5 MPa an die Materialien zwischen Zellen angelegt werden. Dementsprechend sind Komprimierbarkeit, Kompressionselastizität und Konformität der Materialien, z. B. thermische Barrieren zwischen Zellen, wichtige Eigenschaften.Although extensive research has been conducted to create new materials that possess favorable thermal properties to avoid thermal runaway, the mechanical properties of these materials, despite their importance, have not received as much attention. For example, there is a need for effective thermal barriers used between cells within a battery module or battery pack that can provide resistance to compression set to account for cell swelling that continues throughout the life of the cell. In addition, during the initial assembly of a battery module, a relatively low load of 1 MPa or less is usually applied to the materials between cal cells created. As the cells within a battery module or battery pack expand or swell during charge/discharge cycling, a load of up to about 5 MPa can be applied to the materials between cells. Accordingly, compressibility, compressive resilience and conformance of the materials, e.g. B. thermal barriers between cells, important properties.

Daher sind neue thermische Barrieren, die mechanische Anforderungen von LIB-Systemen erfüllen, erforderlich, um eine wirksame thermische Isolierung unter thermischen Durchgehbedingungen und eine wirksame Wärmeableitung unter den normalen Bedingungen bereitzustellen.Therefore, new thermal barriers that meet mechanical requirements of LIB systems are required to provide effective thermal insulation under thermal runaway conditions and effective heat dissipation under normal conditions.

KURZDARSTELLUNGEXECUTIVE SUMMARY

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, mindestens einen Nachteil früherer Verfahren und vorstehend erwähnter Materialien zu vermeiden oder abzuschwächen, um das thermische Durchgehen in wiederaufladbaren Batterien, z. B. Lithium-Ionen-Batterien, zu verhindern oder abzuschwächen. Die hierin bereitgestellten Barrierematerialien sind konstruiert, um die Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien zu verbessern.It is an object of the present disclosure to obviate or mitigate at least one disadvantage of prior methods and materials mentioned above to reduce thermal runaway in rechargeable batteries, e.g. B. lithium-ion batteries to prevent or mitigate. The barrier materials provided herein are designed to improve the safety of lithium ion batteries.

Insbesondere ist es eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, eine Barriere zur Verwendung als eine thermische Barriere in einem elektrischen Energiespeicherungssystem bereitzustellen, um das Problem der thermischen Ausbreitung in einem Batteriemodul oder Batteriepack zu lösen und die thermische Ausbreitung zu stoppen oder abzuschwächen, wenn eine Zelle ein thermisches Durchgehen aufweist. Einzigartige Konfigurationen der Barriere der vorliegenden Offenbarung können helfen, das Problem der thermischen Ausbreitung zwischen Zellen zu lösen. Die Barriere der vorliegenden Offenbarung kann auch dazu beitragen, Wärme abzuleiten, die während der normalen Nutzung des Batteriemoduls oder des Batteriepacks erzeugt wird. Innerhalb der Barriere definierte Fluidkanäle können verwendet werden, um ein Wärmeübertragungsfluid durch die Barriere zu leiten, das dazu beitragen kann, die Temperatur des Batteriemoduls oder des Batteriepacks zu regulieren.In particular, it is an object of the present disclosure to provide a barrier for use as a thermal barrier in an electrical energy storage system to solve the problem of thermal spread in a battery module or battery pack and to stop or mitigate thermal spread when a cell experiences a thermal has runaway. Unique configurations of the barrier of the present disclosure can help solve the problem of inter-cell thermal propagation. The barrier of the present disclosure can also help dissipate heat generated during normal use of the battery module or battery pack. Fluid channels defined within the barrier can be used to direct a heat transfer fluid through the barrier that can help regulate the temperature of the battery module or battery pack.

Die Abschwächungsstrategien können auf der Materialebene, der Zellebene und der Systemebene arbeiten, was die Gesamtsicherheit eines Energiespeicherungssystems gewährleistet, das wiederaufladbare Batterien wie Lithium-Ionen-Batterien verwendet. Die Barriere gemäß der vorliegenden Offenbarung kann mindestens einen der folgenden Abschwächungsschritte ausführen: (1) Reduzieren der Möglichkeit von Fehlanwendungsbedingungen, (2) Beseitigen der Fehlanwendungsbedingungen, sobald sie auftreten, (3) Verbessern der thermischen Stabilität der Batteriezelle gegenüber Fehlanwendungsbedingungen, (4) Verringern der unter normalen Betriebsbedingungen und einem thermischen Durchgehfall freigesetzten Energie und (5) Abschwächen der Ausbreitungsgefahr und Begrenzen der Schäden auf einen begrenzten Bereich.The mitigation strategies can work at the material level, cell level, and system level, ensuring the overall safety of an energy storage system that uses rechargeable batteries such as lithium-ion batteries. The barrier according to the present disclosure can perform at least one of the following mitigating steps: (1) reduce the possibility of misuse conditions, (2) eliminate the misuse conditions as soon as they occur, (3) improve the thermal stability of the battery cell to misuse conditions, (4) reduce the energy released under normal operating conditions and a thermal runaway event, and (5) mitigating the risk of propagation and confining damage to a localized area.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Offenbarung besteht darin, ein Batteriemodul oder -pack bereitzustellen, das die Barriere gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst, die den Batteriepack vor thermischen Schäden aufgrund von thermischem Durchgehen einer Zelle schützen kann und ein sicheres Design des Batteriepacks sicherstellen kann.Another object of the present disclosure is to provide a battery module or pack including the barrier according to the present invention, which can protect the battery pack from thermal damage due to thermal runaway of a cell and ensure a safe design of the battery pack.

In einem allgemeinen Gesichtspunkt stellt die vorliegende Offenbarung eine neuartige Barriere bereit, die Aerogel-Zusammensetzungen, z. B. verstärkte Aerogel-Zusammensetzungen, einschließt, die haltbar und leicht zu handhaben sind, die eine vorteilhafte Beständigkeit gegenüber Wärmeausbreitung und Brandausbreitung aufweisen und gleichzeitig die Dicke und das Gewicht von verwendeten Materialien minimieren sowie auch vorteilhafte Eigenschaften in Bezug auf Komprimierbarkeit, Kompressionselastizität und Konformität aufweisen. Zum Beispiel kann die Barriere gemäß den hierin offenbarten Gesichtspunkten mindestens eine Isolierschicht einschließen, die eine Aerogel-Zusammensetzung oder verstärkte Aerogel-Zusammensetzung einschließt.In a general aspect, the present disclosure provides a novel barrier that can be used in airgel compositions, e.g. reinforced airgel compositions that are durable and easy to handle, that have advantageous resistance to heat and fire spread while minimizing the thickness and weight of materials used, as well as advantageous compressibility, compression resilience, and conformance properties . For example, according to aspects disclosed herein, the barrier may include at least one insulating layer that includes an airgel composition or reinforced airgel composition.

In einem allgemeinen Gesichtspunkt sind die hierin offenbarten Barrieren nützlich zum Trennen, Isolieren und Schützen von Batteriezellen oder Batteriekomponenten von Batterien jeder Konfiguration, z. B. Beutelzellen, zylindrischen Zellen, prismatischen Zellen sowie Packs und Modulen, die solche Zellen integrieren oder einschließen. Die hierin offenbarten Barrieren eignen sich bei wiederaufladbaren Batterien, z. B. Lithium-Ionen-Batterien, Festkörperbatterien und einer beliebigen anderen Energiespeicherungsvorrichtung oder -technologie, bei denen Trennung, Isolierung und Schutz erforderlich sind.In a general aspect, the barriers disclosed herein are useful for separating, isolating and protecting battery cells or battery components of batteries of any configuration, e.g. e.g., pouch cells, cylindrical cells, prismatic cells, and packs and modules incorporating or enclosing such cells. The barriers disclosed herein are useful in rechargeable batteries, e.g. B. Lithium-ion batteries, solid state batteries and any other energy storage device or technology where separation, isolation and protection are required.

In einem allgemeinen Gesichtspunkt zielt die vorliegende Offenbarung darauf ab, ein Batteriemodul und ein Batteriepack bereitzustellen, die verwendet werden, um gleichzeitig die Wärmeableitungsleistung und die thermische Durchgehschutzleistung eines elektrischen Energiespeicherungssystems zu verbessern. Bei elektrischen Energiespeicherungssystemen ist es üblich, dass eine Anzahl von Zellen 100 in einer vorgewählten Konfiguration (z. B. parallel, in Reihe oder in Kombination) zusammengepackt werden, um ein Batteriemodul 200 zu bilden (siehe 6). Eine Anzahl solcher Batteriemodule kann wiederum kombiniert oder verbunden werden, um verschiedene Batteriepacks 300 zu bilden, wie im Stand der Technik bekannt. Während des Betriebs und der Entladung erzeugen solche Zellen, Batteriemodule oder Batteriepacks herkömmlicherweise Wärmemengen, die die daraus resultierende Leistung erheblich beeinträchtigen können. Um die gewünschte oder optimale Leistung durch solche Zellen oder resultierende Batteriemodule oder Batteriepacks aufrechtzuerhalten, ist es daher im Allgemeinen wichtig, die Temperatur solcher Zellen, Batteriemodule oder Batteriepacks in recht engen vorgeschriebenen Bereichen aufrechtzuerhalten. Es ist das Ziel dieser Offenbarung, die Temperatur solcher Zellen, Batteriemodule oder Batteriepacks innerhalb optimaler Bereiche zu halten.In a general aspect, the present disclosure aims to provide a battery module and a battery pack used to simultaneously improve heat dissipation performance and thermal runaway protection performance of an electrical energy storage system. In electrical energy storage systems, it is common for a number of cells 100 to be packaged together in a preselected configuration (e.g., parallel, in series, or some combination) to provide a To form battery module 200 (see 6 ). A number of such battery modules can in turn be combined or connected to form various battery packs 300 as is known in the art. During operation and discharge, such cells, battery modules, or battery packs typically generate amounts of heat that can significantly affect the resulting performance. Therefore, in order to maintain desired or optimal performance from such cells or resulting battery modules or battery packs, it is generally important to maintain the temperature of such cells, battery modules or battery packs within fairly narrow prescribed ranges. It is the goal of this disclosure to keep the temperature of such cells, battery modules or battery packs within optimal ranges.

Zusätzlich zum Aufrechterhalten der Temperatur der Zellen innerhalb der vorgeschriebenen Bereiche ist es auch eine Aufgabe, die strukturelle Integrität der Zellen aufrechtzuerhalten. Die Materialien innerhalb der Zellen müssen sowohl konform als auch elastisch sein, um Volumenänderungen während des Betriebs der Batterien Rechnung zu tragen. In einigen Ausführungsformen müssen die Materialien flammhemmend oder feuerbeständig sein, um die strukturelle Integrität nach oder während eines thermischen Ereignisses aufrechtzuerhalten.In addition to maintaining the temperature of the cells within prescribed ranges, it is also an objective to maintain the structural integrity of the cells. The materials within the cells must be both conformal and elastic to accommodate volume changes during battery operation. In some embodiments, the materials must be flame retardant or fire resistant to maintain structural integrity after or during a thermal event.

In einem Gesichtspunkt ist hierin eine Barriere zur Verwendung zwischen Batteriezellen in einem elektrischen Energiespeicherungssystem bereitgestellt, wobei die Barriere umfasst: mindestens eine Isolierschicht; und mindestens eine komprimierbare Schicht, die mit der mindestens einen Isolierschicht gekoppelt ist, wobei die komprimierbare Schicht ein Paar starrer Platten und eines oder mehrere Federelemente umfasst, die zwischen den starren Platten angeordnet sind.In one aspect, there is provided herein a barrier for use between battery cells in an electrical energy storage system, the barrier comprising: at least one insulating layer; and at least one compressible layer coupled to the at least one insulating layer, the compressible layer comprising a pair of rigid plates and one or more spring elements disposed between the rigid plates.

In einigen Ausführungsformen ist mindestens eines von dem Paar starrer Platten eine wärmeleitfähige Platte. Die wärmeleitfähige Platte kann eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens etwa 200 mW/m-K aufweisen. Die wärmeleitfähige Platte kann aus einem Metall wie Aluminium, Kupfer oder Edelstahl hergestellt sein.In some embodiments, at least one of the pair of rigid plates is a thermally conductive plate. The thermally conductive sheet can have a thermal conductivity of at least about 200 mW/m-K. The thermally conductive plate can be made of a metal such as aluminum, copper or stainless steel.

In einigen Ausführungsformen ist das Paar starrer Platten in Größe und Form identisch, wobei das Paar starrer Platten in einer ausgerichteten Konfiguration vorliegt. Bei einer ausgerichteten Konfiguration sind die Außenkanten eines des Paares starrer Platten im Wesentlichen mit den Außenkanten des anderen des Paares starrer Platten ausgerichtet. Eine Führung kann zwischen dem Paar starrer Platten positioniert sein. Die Führung kann dazu beitragen, die starren Platten in der ausgerichteten Konfiguration zu halten. In some embodiments, the pair of rigid panels are identical in size and shape, with the pair of rigid panels being in an aligned configuration. In an aligned configuration, the outer edges of one of the pair of rigid panels are substantially aligned with the outer edges of the other of the pair of rigid panels. A guide may be positioned between the pair of rigid plates. The guide can help keep the rigid panels in the aligned configuration.

In der komprimierbaren Schicht kann eine Vielzahl unterschiedlicher Federelemente verwendet werden. In einigen Ausführungsformen umfassen das eine oder die mehreren Federelemente einen oder mehrere Auslegerfederelemente. In einigen Ausführungsformen umfassen das eine oder die mehreren Federelemente eine oder mehrere Spiralfedern. In einigen Ausführungsformen umfassen das eine oder die mehreren Federelemente eine oder mehrere Bogenfedern. In einigen Ausführungsformen umfassen das eine oder die mehreren Federelemente eine oder mehrere Wellenfedern. Kombinationen unterschiedlicher Arten von Federn können in der komprimierbaren Schicht ebenfalls verwendet werden.A variety of spring elements can be used in the compressible layer. In some embodiments, the one or more spring elements include one or more cantilever spring elements. In some embodiments, the one or more spring elements include one or more coil springs. In some embodiments, the one or more spring elements include one or more arc springs. In some embodiments, the one or more spring elements include one or more wave springs. Combinations of different types of springs can also be used in the compressible layer.

In einigen Ausführungsformen sind die Federelemente konfiguriert, um die starren Platten gegen benachbarte Batteriezellen in dem elektrischen Energiespeicherungssystem zu pressen. Die Federelemente können eine Federkonstante aufweisen, die ermöglicht, dass die Federelemente komprimiert werden können, wenn sich die benachbarten Batteriezellen während der Verwendung expandieren. In einigen Ausführungsformen sind die eine oder die mehreren Federn zwischen den starren Platten positioniert, sodass ein Fluidkanal zwischen den starren Platten gebildet wird. Wenn vorhanden, weist der Fluidkanal eine Breite zwischen 1 mm und 5 mm auf.In some embodiments, the spring elements are configured to press the rigid plates against adjacent battery cells in the electrical energy storage system. The spring elements may have a spring rate that allows the spring elements to be compressed as the adjacent battery cells expand during use. In some embodiments, the one or more springs are positioned between the rigid plates such that a fluid channel is formed between the rigid plates. When present, the fluid channel has a width of between 1mm and 5mm.

In einigen Ausführungsformen weist die Isolierschicht eine Wärmeleitfähigkeit durch eine Dickenabmessung der Isolierschicht von weniger als etwa 50 mW/m-K bei 25 °C und weniger als etwa 60 mW/m-K bei 600 °C auf. In einigen Ausführungsformen schließt die Isolierschicht Aerogel ein. In einigen Ausführungsformen schließt die Isolierschicht ferner ein Material ein, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Glimmer, mikroporösem Siliciumdioxid, Keramikfaser, Mineralwolle und Kombinationen davon. In einigen Ausführungsformen fehlt der Isolierschicht Aerogel und die Isolierschicht schließt ein Material ein, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Glimmer, mikroporösem Siliciumdioxid, Keramikfaser, Mineralwolle und Kombinationen davon.In some embodiments, the insulating layer has a thermal conductivity through a thickness dimension of the insulating layer of less than about 50 mW/m-K at 25°C and less than about 60 mW/m-K at 600°C. In some embodiments, the insulating layer includes airgel. In some embodiments, the insulating layer further includes a material selected from the group consisting of mica, microporous silica, ceramic fiber, mineral wool, and combinations thereof. In some embodiments, the insulating layer lacks airgel and the insulating layer includes a material selected from the group consisting of mica, microporous silica, ceramic fiber, mineral wool, and combinations thereof.

In einigen Ausführungsformen schließt die Isolierschicht, die ein Aerogel einschließt, ferner ein Verstärkungsmaterial ein. In einigen Ausführungsformen ist das Verstärkungsmaterial eine Faser, die ausgewählt ist aus organischen polymerbasierten Fasern, anorganischen Fasern, kohlenstoffbasierten Fasern oder einer Kombination davon. In einigen Ausführungsformen sind die Fasern in Form von diskreten Fasern, gewebten Materialien, trockengelegten Vliesmaterialien, nassgelegten Vliesmaterialien, Nadelvliesstoffen, Wattierungen, Bahnen, Matten, Filzen und/oder Kombinationen davon gebildet. In einigen Ausführungsformen sind die anorganischen Fasern ausgewählt aus Glasfasern, Gesteinsfasern, Metallfasern, Borfasern, Keramikfasern, Basaltfasern oder einer Kombination davon. In einer oder mehreren Ausführungsformen schließt das Aerogel ein Aerogel auf Siliciumbasis ein.In some embodiments, the insulating layer including an airgel further includes a reinforcement material. In some embodiments, the reinforcement material is a fiber selected from organic polymer-based fibers, inorganic fibers, carbon-based fibers, or a combination thereof. In some embodiments, the fibers are dry-laid in the form of discrete fibers, woven materials ten nonwoven materials, wetlaid nonwoven materials, needle punched nonwovens, battings, webs, mats, felts, and/or combinations thereof. In some embodiments, the inorganic fibers are selected from glass fibers, rock fibers, metal fibers, boron fibers, ceramic fibers, basalt fibers, or a combination thereof. In one or more embodiments, the airgel includes a silicon-based airgel.

In einer oder mehreren Ausführungsformen schließt das Aerogel einen oder mehrere Zusatzstoffe ein, wobei die Zusatzstoffe in einer Menge von mindestens etwa 5 bis 40 Gewichtsprozent des Aerogels, vorzugsweise in einer Menge von mindestens etwa 5 bis 20 Gewichtsprozent des Aerogels, stärker bevorzugt in einer Menge von mindestens etwa 10 bis 20 Gewichtsprozent des Aerogels vorhanden sind. In einigen Ausführungsformen schließen der eine oder die mehreren Zusatzstoffe Brandschutzzusatzstoffe ein. In einigen Ausführungsformen schließen der eine oder die mehreren Zusatzstoffe Trübungsmittel ein, die ausgewählt sind aus B4C, Kieselgur, Manganferrit, MnO, NiO, SnO, Ag₂O, Bi₂O₃, TiC, WC, Ruß, Titanoxid, Eisentitanoxid, Zirkoniumsilikat, Zirkoniumoxid, Eisen(I)-Oxid, Eisen(III)-Oxid, Mangandioxid, Eisentitanoxid (Ilmenit), Chromoxid oder Mischungen davon. In einigen Ausführungsformen schließen der eine oder die mehreren Zusatzstoffe Trübungsmittel ein, die Siliciumcarbid einschließen. In einigen Ausführungsformen schließen der eine oder die mehreren Zusatzstoffe eine Kombination von Brandschutzzusatzstoffen und Trübungsmitteln ein.In one or more embodiments, the airgel includes one or more additives, the additives being present in an amount of at least about 5 to 40 percent by weight of the airgel, preferably in an amount of at least about 5 to 20 percent by weight of the airgel, more preferably in an amount of at least about 10 to 20 percent by weight of the airgel is present. In some embodiments, the one or more additives include fire retardant additives. In some embodiments, the one or more additives include opacifiers selected from B4C, diatomaceous earth, manganese ferrite, MnO, NiO, SnO, Ag ₂ O, Bi ₂ O ₃ , TiC, WC, carbon black, titanium oxide, iron titanium oxide, zirconium silicate, Zirconium oxide, ferrous oxide, ferric oxide, manganese dioxide, iron titanium oxide (ilmenite), chromium oxide or mixtures thereof. In some embodiments, the one or more additives include opacifiers that include silicon carbide. In some embodiments, the one or more additives include a combination of fire retardant additives and opacifiers.

In einer oder mehreren Ausführungsformen weist das Aerogel eine Dichte im Bereich von etwa 0,25 g/cm3 bis etwa 1,0 g/cm3 auf. In einigen Ausführungsformen weist das Aerogel einen Biegemodul von etwa 2 MPa bis etwa 8 MPa auf. In einigen Ausführungsformen weist das Aerogel eine Kompression auf, die bei etwa 70 °C im Bereich von etwa 10 % bis etwa 25 % eingestellt ist. In einigen Ausführungsformen weist das Aerogel eine Druckfestigkeit auf, wobei die Druckfestigkeit bei 25 % Dehnung zwischen etwa 40 kPa und etwa 180 kPa liegt. In einer oder mehreren Ausführungsformen ist das Aerogel als Monolith, Perlen, Teilchen, Granulat, ein Pulver, eine dünne Folie, ein Blatt oder eine Kombination davon gebildet.In one or more embodiments, the airgel has a density ranging from about 0.25 g/cc to about 1.0 g/cc. In some embodiments, the airgel has a flexural modulus of from about 2 MPa to about 8 MPa. In some embodiments, the airgel has a compression set at about 70°C ranging from about 10% to about 25%. In some embodiments, the airgel has a compressive strength, where the compressive strength at 25% elongation is between about 40 kPa and about 180 kPa. In one or more embodiments, the airgel is formed as a monolith, beads, particles, granules, a powder, a film, a sheet, or a combination thereof.

In einigen Ausführungsformen ist die Isolierschicht von einer Deckschicht eingekapselt. Wenn ein Kohlenwasserstoff-Wärmeübertragungsfluid in einem Batteriemodul oder Batteriepack verwendet wird, ist die Deckschicht in Ausführungsformen gegenüber einem dielektrischen Kohlenwasserstoff-Fluid inert. Wenn ein fluoriertes Wärmeübertragungsfluid in einem Batteriemodul oder Batteriepack verwendet wird, ist die Deckschicht in Ausführungsformen gegenüber einem dielektrischen fluorierten Fluid inert.In some embodiments, the insulating layer is encapsulated by a cap layer. In embodiments, when a hydrocarbon heat transfer fluid is used in a battery module or battery pack, the cap layer is inert to a hydrocarbon dielectric fluid. In embodiments, when a fluorinated heat transfer fluid is used in a battery module or battery pack, the cover layer is inert to a dielectric fluorinated fluid.

In einigen Ausführungsformen weist die Barriere eine durchschnittliche Dicke in einem Bereich zwischen etwa 5 mm bis etwa 30 mm in einem unkomprimierten Zustand auf, und wobei die Barriere auf eine minimale durchschnittliche Dicke zwischen etwa 2 mm und 10 mm komprimierbar ist.In some embodiments, the barrier has an average thickness ranging between about 5 mm to about 30 mm in an uncompressed state, and wherein the barrier is compressible to a minimum average thickness of between about 2 mm and 10 mm.

In einem Gesichtspunkt wird hierin die Verwendung der Barriere verschiedener Ausführungsformen eines der vorstehenden Gesichtspunkte in einem Batteriemodul, das eine Vielzahl von einzelnen Batteriezellen einschließt, bereitgestellt. In einem anderen Gesichtspunkt wird hierin die Verwendung der Barriere verschiedener Ausführungsformen eines der vorstehenden Gesichtspunkte in Ausführungsformen in einem Batteriepack, der eine Vielzahl von Batteriemodulen einschließt, bereitgestellt. Die Barriere kann verwendet werden, um einzelne Batteriezellen oder einzelne Batteriemodule thermisch voneinander zu trennen. In einigen Ausführungsformen verursacht ein Durchgehereignis, das in einer oder mehreren Batteriezellen oder Batteriemodulen eines Teils des Batteriepacks auftritt, keine Beschädigung der Batteriezellen oder Batteriemodule in Teilen des Batteriepacks, die durch die Barriere gemäß einem der vorstehenden Gesichtspunkte getrennt sind.In one aspect, there is provided use of the barrier of various embodiments of any of the above aspects in a battery module including a plurality of individual battery cells. In another aspect, there is provided herein the use of the barrier of various embodiments of any of the above aspects in embodiments in a battery pack that includes a plurality of battery modules. The barrier can be used to thermally isolate individual battery cells or individual battery modules from one another. In some embodiments, a runaway event occurring in one or more battery cells or battery modules of a portion of the battery pack does not cause damage to the battery cells or battery modules in portions of the battery pack separated by the barrier according to any aspect above.

In einem Gesichtspunkt ist hierin ein Batteriemodul bereitgestellt, das Folgendes einschließt: eine erste Batteriezelle mit einer ersten Oberfläche; eine zweite Batteriezelle mit einer zweiten Oberfläche, wobei sich die zweite Oberfläche in gegenüberliegender Beziehung zu der ersten Oberfläche befindet; und die Barriere gemäß verschiedenen Ausführungsformen eines der vorstehenden Gesichtspunkte, die zwischen der ersten und der zweiten Oberfläche angeordnet ist. In einigen Ausführungsformen bedeckt die Barriere mindestens etwa 80 % der Oberfläche der gegenüberliegenden ersten und zweiten Oberflächen.In one aspect, there is provided herein a battery module including: a first battery cell having a first surface; a second battery cell having a second surface, the second surface being in opposed relation to the first surface; and the barrier according to various embodiments of any of the above aspects disposed between the first and second surfaces. In some embodiments, the barrier covers at least about 80% of the surface area of the opposing first and second surfaces.

In einem anderen Gesichtspunkt ist hierin ein Batteriemodul bereitgestellt, das einschließt: eine Vielzahl von Batteriezellen und die Barriere gemäß verschiedenen Ausführungsformen eines der vorstehenden Gesichtspunkte, wobei die Barriere zwischen benachbarten Batteriezellen angeordnet ist.In another aspect, there is provided herein a battery module including: a plurality of battery cells and the barrier according to various embodiments of any of the above aspects, wherein the barrier is disposed between adjacent battery cells.

In einem Gesichtspunkt ist hierin ein Batteriepack bereitgestellt, das eine Vielzahl von Zellen und Abstandshaltern einschließt, die zwischen den zwei Nachbarzellen oder zwei benachbarten Modulen angeordnet sind, wobei der Abstandshalter die Barriere gemäß verschiedenen Ausführungsformen eines der vorstehenden Gesichtspunkte enthält.In one aspect there is provided herein a battery pack including a plurality of cells and spacers arranged between the two neighboring cells or two neighboring modules, wherein the spacer contains the barrier according to various embodiments of any of the above aspects.

In einem Gesichtspunkt schließt ein elektrisches Leistungssystem ein oder mehrere Batteriemodule gemäß verschiedenen Ausführungsformen eines der vorstehenden Gesichtspunkte und ein Fluidübertragungssystem, das mit dem Batteriemodul gekoppelt ist, ein. Das Fluidübertragungssystem leitet ein Fluid in das Batteriemodul ein und sammelt das Fluid, nachdem das Fluid durch das Batteriemodul strömt. Das Fluidübertragungssystem leitet ein dielektrisches flüssiges Fluid in das Batteriemodul oder ein dielektrisches Gas in das Batteriemodul ein. In einigen Gesichtspunkten wird das Fluid derart erwärmt oder gekühlt, dass das Fluid die Vielzahl von Batteriezellen in dem Batteriemodul erwärmt oder kühlt.In one aspect, an electric power system includes one or more battery modules according to various embodiments of any of the above aspects and a fluid transfer system coupled to the battery module. The fluid transfer system introduces fluid into the battery module and collects the fluid after the fluid flows through the battery module. The fluid transfer system introduces a dielectric liquid fluid into the battery module or a dielectric gas into the battery module. In some aspects, the fluid is heated or cooled such that the fluid heats or cools the plurality of battery cells in the battery module.

In einem Gesichtspunkt definieren die Barrieren gemäß verschiedenen Ausführungsformen einen der vorstehenden Gesichtspunkte Strömungskanäle zwischen benachbarten Paaren von Batteriezellen. Während der Verwendung strömt das Fluid durch die Strömungskanäle. In einigen Gesichtspunkten schließt das Batteriemodul einen Verteiler ein, der mit dem Fluidübertragungssystem gekoppelt ist, das einen oder mehrere Anschlüsse aufweist, die mit den Strömungskanälen ausgerichtet sind, wobei während der Verwendung Fluid aus dem Fluidübertragungssystem in den Verteiler geleitet wird und durch den einen oder die mehreren Auslässe in die Strömungskanäle austritt. Das Fluidübertragungssystem kann eine Kühlkomponente einschließen. Die Kühlkomponente kann verwendet werden, um die Temperatur des Fluids bei oder unter einer Betriebstemperatur der Batteriezellen zu halten.In one aspect, according to various embodiments, the barriers define flow channels between adjacent pairs of battery cells. During use, the fluid flows through the flow channels. In some aspects, the battery module includes a manifold coupled to the fluid transfer system having one or more ports aligned with the flow channels, during use fluid from the fluid transfer system is directed into the manifold and through the one or the several outlets into the flow channels. The fluid transfer system can include a cooling component. The cooling component can be used to maintain the temperature of the fluid at or below an operating temperature of the battery cells.

In einem Gesichtspunkt schließt ein elektrisches Leistungssystem ein Batteriepack ein, wobei das Batteriepack eine Vielzahl von Batteriemodulen und -barrieren umfasst, wie zuvor beschrieben, die zwischen benachbarten Batteriemodulen und einem mit dem Batteriepack gekoppelten Fluidübertragungssystem angeordnet ist, wobei das Fluidübertragungssystem ein Fluid in das Batteriepack leitet und das Fluid sammelt, nachdem das Fluid durch das Batteriepack strömt. Das Fluidübertragungssystem leitet ein dielektrisches flüssiges Fluid in das Batteriepack oder ein dielektrisches Gas in das Batteriepack. In einigen Gesichtspunkten wird das Fluid derart erwärmt oder gekühlt, dass das Fluid die Vielzahl von Batteriemodulen in dem Batteriepack erwärmt oder kühlt. In one aspect, an electrical power system includes a battery pack, the battery pack including a plurality of battery modules and barriers, as previously described, disposed between adjacent battery modules and a fluid transfer system coupled to the battery pack, the fluid transfer system directing a fluid into the battery pack and collects the fluid after the fluid flows through the battery pack. The fluid transfer system directs a dielectric liquid fluid into the battery pack or a dielectric gas into the battery pack. In some aspects, the fluid is heated or cooled such that the fluid heats or cools the plurality of battery modules in the battery pack.

In einem Gesichtspunkt definieren die Barrieren gemäß verschiedenen Ausführungsformen eines der vorstehenden Gesichtspunkte Strömungskanäle zwischen benachbarten Paaren von Batteriemodulen. Während der Verwendung strömt das Fluid durch die Strömungskanäle. In einigen Gesichtspunkten schließt das Batteriepack einen Verteiler ein, der mit dem Fluidübertragungssystem gekoppelt ist, das einen oder mehrere Anschlüsse aufweist, die mit den Strömungskanälen ausgerichtet sind, wobei während der Verwendung Fluid aus dem Fluidübertragungssystem in den Verteiler geleitet wird und durch den einen oder die mehreren Auslässe in die Strömungskanäle austritt. Das Fluidübertragungssystem kann eine Kühlkomponente einschließen. Die Kühlkomponente kann verwendet werden, um die Temperatur des Fluids bei oder unter einer Betriebstemperatur der Batteriemodule zu halten.In one aspect, according to various embodiments of any of the above aspects, the barriers define flow channels between adjacent pairs of battery modules. During use, the fluid flows through the flow channels. In some aspects, the battery pack includes a manifold coupled to the fluid transmission system having one or more ports aligned with the flow channels, during use fluid from the fluid transmission system is directed into the manifold and through the one or the several outlets into the flow channels. The fluid transfer system can include a cooling component. The cooling component can be used to maintain the temperature of the fluid at or below an operating temperature of the battery modules.

In einem Gesichtspunkt sind die Federelemente in den Barrieren zwischen dem Paar starrer Platten angeordnet, um eine turbulente Strömung zu erzeugen. In einigen Gesichtspunkten ist eine turbulente Strömung ein Strom, der eine Reynolds-Zahl größer als 1000 aufweist.In one aspect, the spring elements are placed in the barriers between the pair of rigid plates to create turbulent flow. In some aspects, turbulent flow is a flow that has a Reynolds number greater than 1,000.

In einem anderen Gesichtspunkt sind hierin eine Vorrichtung oder ein Fahrzeug bereitgestellt, die bzw. das das Batteriemodul oder den Batteriepack gemäß einem der vorstehenden Gesichtspunkte einschließt. In einigen Ausführungsformen ist die Vorrichtung ein Laptop-Computer, ein PDA, ein Mobiltelefon, ein Tag-Scanner, eine Audiovorrichtung, eine Videovorrichtung, ein Anzeigefeld, eine Videokamera, eine Digitalkamera, Desktop-Computer, militärische tragbare Computer, militärische Telefone, Laserentfernungsmesser, digitale Kommunikationsvorrichtung, Intelligenz-Erfassungssensor, elektronisch integrierte Kleidung, Nachtsichtausrüstung, Elektrowerkzeug, Rechner, Radio, ferngesteuerte Vorrichtung, GPS-Vorrichtung, Handheld- und tragbares Fernsehen, Autostarter, Taschenlampen, akustische Vorrichtungen, tragbare Heizvorrichtung, tragbarer Staubsauger oder ein tragbares medizinisches Werkzeug. In einigen Ausführungsformen ist das Fahrzeug ein Elektrofahrzeug.In another aspect, there is provided herein an apparatus or vehicle that includes the battery module or battery pack according to any of the above aspects. In some embodiments, the device is a laptop computer, PDA, cell phone, tag scanner, audio device, video device, display panel, video camera, digital camera, desktop computer, military handheld computer, military phone, laser range finder, digital communication device, intelligence detection sensor, electronically integrated clothing, night vision equipment, power tool, calculator, radio, remote control device, GPS device, handheld and portable television, car starter, flashlight, acoustic device, portable heater, portable vacuum cleaner, or a portable medical tool. In some embodiments, the vehicle is an electric vehicle.

Die hierin beschriebene Barriere kann einen oder mehrere Vorteile gegenüber bestehenden Abschwächungsstrategien von thermischem Durchgehen bereitstellen. Die hierin beschriebene Barriere kann die Ausbreitung von thermischem Durchgehen einer Zelle minimieren oder beseitigen, ohne die Energiedichte des Batteriemoduls oder des -packs und der Montagekosten signifikant zu beeinflussen. Die Barriere der vorliegenden Offenbarung kann vorteilhafte Eigenschaften im Hinblick auf Komprimierbarkeit, Kompressionselastizität und Konformität bereitstellen, um Schwellungen der Zellen Rechnung zu tragen, die während der Lebensdauer der Zelle fortdauern, während sie gute thermische Eigenschaften unter normalen Betriebsbedingungen sowie unter thermischen Durchgehbedingungen besitzen. Die hierin beschriebene Barriere ist haltbar und leicht zu handhaben, weist eine vorteilhafte Beständigkeit gegenüber Wärmeausbreitung und Brandausbreitung auf und minimiert gleichzeitig die Dicke und das Gewicht der verwendeten Materialien und weist auch gute Eigenschaften im Hinblick auf Komprimierbarkeit, Kompressionselastizität und Konformität auf.The barrier described herein may provide one or more advantages over existing thermal runaway mitigation strategies. The barrier described herein can minimize or eliminate the propagation of a cell's thermal runaway without significantly impacting the energy density of the battery module or pack and assembly costs. The barrier of the present disclosure can provide advantageous properties of compressibility, compression resilience, and compliance to accommodate cell swelling that persists throughout the life of the cell while possessing good thermal properties under normal operating conditions as well as thermal runaway conditions. The barrier described herein is durable and easy to handle, has advantageous resistance to heat and fire spread while minimizing the thickness and weight of the materials used and has also have good compressibility, compression resilience and conformability properties.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Nachdem somit die Offenbarung allgemein beschrieben wurde, wird nun auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen, die nicht notwendigerweise maßstabsgetreu gezeichnet sind, und wobei:

• 1 eine schematische Darstellung der elektrochemischen Zelle einer Li-Ionen-Batterie ist.
• 2 ein schematisches Diagramm des Lade-Entladeprozesses in einer Li-Ionen-Batterie ist.
• 3 schematisch Fehlanwendungsbedingungen des thermischen Durchgehens und einen Ausbreitungsprozess des thermischen Durchgehens innerhalb eines Batteriemoduls veranschaulicht.
• 4 eine schematische Darstellung des Dendritenwachstums auf der Lithiumplattierung in einer Batterie ist.
• 5 schematisch drei Stufen veranschaulicht, die zum thermischen Durchgehprozess führen.
• 6 schematisch die Batteriezelle, das Batteriemodul und den Batteriepack veranschaulicht.
• 7 schematisch eine Barriere gemäß bestimmten hierin offenbarten Ausführungsformen veranschaulicht.
• 8 schematisch eine alternative Barrierenkonfiguration gemäß bestimmten hierin offenbarten Ausführungsformen veranschaulicht.
• 9A-B schematisch die Expansion einer Batteriezelle und Kompression einer Barriere veranschaulichen.
• 10A-B schematisch eine komprimierbare Schicht mit linearen Wellenfedern veranschaulichen.
• 11A-B schematisch eine komprimierbare Schicht mit Auslegerfedern veranschaulichen.
• 12 schematisch eine komprimierbare Schicht mit Einkerbungsfederelementen veranschaulicht.
• 13 schematisch eine komprimierbare Schicht mit Spiralfedern veranschaulicht.
• 14A-B schematisch eine komprimierbare Schicht mit einer Bogenfeder veranschaulichen.
• 15A-B schematisch eine komprimierbare Schicht mit einer Bogenfeder veranschaulichen, die in Vertiefungen angeordnet ist, die in den starren Platten gebildet sind.
• 16 schematisch die Verwendung von Fluidkanälen veranschaulicht, die durch die Federelemente innerhalb der komprimierbaren Schicht definiert sind, zum Kühlen von Batteriezellen.
• 17 schematisch ein Energiespeicherungssystem veranschaulicht, das ein Batteriemodul oder ein Batteriepack einschließt, die mit einem Fluidübertragungssystem gekoppelt sind, das eine Wärmeübertragungseinheit und eine Pumpe einschließt, die ein Wärmeübertragungsfluid umwälzt.
• 18 schematisch ein Batteriemodul oder ein Batteriepack mit einem Fluidverteiler veranschaulicht.

Having thus generally described the disclosure, reference will now be made to the accompanying drawings, which are not necessarily drawn to scale, and in which:

• 1 Figure 12 is a schematic representation of the electrochemical cell of a Li-ion battery.
• 2 Figure 12 is a schematic diagram of the charge-discharge process in a Li-ion battery.
• 3 FIG. 12 schematically illustrates thermal runaway abuse conditions and a thermal runaway propagation process within a battery module.
• 4 Figure 12 is a schematic representation of dendrite growth on lithium plating in a battery.
• 5 schematically illustrates three stages leading to the thermal runaway process.
• 6 schematically illustrates the battery cell, the battery module and the battery pack.
• 7 schematically illustrates a barrier in accordance with certain embodiments disclosed herein.
• 8th schematically illustrates an alternative barrier configuration in accordance with certain embodiments disclosed herein.
• 9A-B schematically illustrate the expansion of a battery cell and compression of a barrier.
• 10A-B schematically illustrate a compressible layer with linear wave springs.
• 11A-B schematically illustrate a compressible layer with cantilever springs.
• 12 schematically illustrates a compressible layer with indented spring elements.
• 13 schematically illustrates a compressible layer with coil springs.
• 14A-B schematically illustrate a compressible layer with an arc spring.
• 15A-B schematically illustrate a compressible layer with an arc spring placed in indentations formed in the rigid plates.
• 16 schematically illustrates the use of fluid channels defined by the spring elements within the compressible layer for cooling battery cells.
• 17 schematically illustrates an energy storage system that includes a battery module or battery pack coupled to a fluid transfer system that includes a heat transfer unit and a pump that circulates a heat transfer fluid.
• 18 schematically illustrates a battery module or battery pack with a fluid manifold.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNGDETAILED DESCRIPTION

In der folgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil davon bilden und innerhalb der auf veranschaulichende Weise spezifische Ausführungsformen gezeigt sind, anhand derer die Offenbarung ausgeführt werden kann. Es versteht sich, dass andere Ausführungsformen verwendet werden können und strukturelle Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Offenbarung abzuweichen.In the following detailed description of the preferred embodiments, reference is made to the accompanying drawings which form a part hereof, and in which is shown by way of illustration specific embodiments by which the disclosure may be practiced. It is understood that other embodiments may be employed and structural changes may be made without departing from the scope of the disclosure.

Es versteht sich, dass die vorliegende Offenbarung nicht auf bestimmte Vorrichtungen oder Verfahren beschränkt ist, die natürlich variieren können. Es versteht sich auch, dass die hierin verwendete Terminologie nur zum Zweck der Beschreibung bestimmter Ausführungsformen dient und nicht einschränkend sein soll. Wie in dieser Patentschrift und den beigefügten Ansprüchen verwendet, schließen die Singularformen „ein“, „einer“, „eine“ und „der“, „die“, „das“ Singular- und Plural-Bezugnahmen ein, sofern der Inhalt nicht eindeutig etwas anderes vorschreibt. Darüber hinaus wird das Wort „kann“ in dieser Anmeldung in einem permissiven Sinne (d. h. die Fähigkeit aufweisend, um, in der Lage sein, zu), nicht in einem obligatorischen Sinne (d. h. muss) verwendet. Der Begriff „einschließen“ und Ableitungen davon bedeutet „einschließlich, aber nicht beschränkt auf‟. Der Begriff „gekoppelt“ bedeutet direkt oder indirekt verbunden.It should be understood that the present disclosure is not limited to any particular device or method, which may, of course, vary. It is also to be understood that the terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting. As used in this specification and the appended claims, the singular forms "a", "an" and "the" include singular and plural references, unless the content clearly indicates otherwise prescribes otherwise. Furthermore, the word "may" is used in this application in a permissive sense (i.e., having the ability to, be able to), not in a mandatory sense (i.e., must). The term "include" and derivatives thereof means "including but not limited to". The term "coupled" means directly or indirectly connected.

Definitionendefinitions

Wie hierin verwendet, bedeutet „etwa“ ungefähr oder nahezu und bedeutet im Zusammenhang mit einem dargelegten numerischen Wert oder Bereich ±5 % des numerischen Werts. In einer Ausführungsform kann der Begriff „etwa“ eine herkömmliche Rundung gemäß signifikanten Figuren des numerischen Werts einschließen. Außerdem schließt der Ausdruck „etwa x bis y“ „etwa x bis etwa y“ ein.As used herein, "about" means approximately or nearly, and in the context of a stated numerical value or range means ±5% of the numerical value. In one embodiment, the term "about" may include conventional rounding according to significant figures of numerical value. Besides that the phrase "about x to y" includes "about x to about y".

Wie hierin verwendet, werden die Begriffe „Zusammensetzung“ und „Verbundstoff“ austauschbar verwendet.As used herein, the terms "composition" and "composite" are used interchangeably.

Wie hierin verwendet, werden die Begriffe „komprimierbares Pad“ und „komprimierbare Schicht“ austauschbar verwendet.As used herein, the terms "compressible pad" and "compressible layer" are used interchangeably.

Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung bezieht sich der Begriff „Aerogel“, „Aerogel-Material“ oder „Aerogel-Matrix“ auf ein Gel, das ein Gerüst miteinander verbundener Strukturen aufweist, wobei ein entsprechendes Netzwerk miteinander verbundener Poren innerhalb des Gerüsts integriert ist, das Gase wie Luft als dispergiertes interstitielles Medium enthalten; und das durch folgende physikalische und strukturelle Eigenschaften gekennzeichnet ist (gemäß Stickstoffporosimetrieprüfungen), die Aerogel zuschreibbar sind: (a) einen durchschnittlichen Porendurchmesser im Bereich von etwa 2 nm bis etwa 100 nm, (b) eine Porosität von mindestens 80 % oder mehr und (c) eine Oberfläche von etwa 100 m²/g oder mehr.As used herein, the term "airgel", "airgel material" or "airgel matrix" refers to a gel having a framework of interconnected structures, with a corresponding network of interconnected pores integrated within the framework that contain gases such as air as the dispersed interstitial medium; and characterized by the following physical and structural properties (as determined by nitrogen porosimetry tests) attributable to airgel: (a) an average pore diameter ranging from about 2 nm to about 100 nm, (b) a porosity of at least 80% or greater, and ( c) a surface area of about 100 m ² /g or more.

Aerogel-Materialien der vorliegenden Offenbarung schließen somit beliebige Aerogele oder andere offenzellige Materialien ein, welche die in vorhergehenden Absätzen angegebenen definierenden Elemente erfüllen; einschließlich Materialien, die anderweitig als Xerogele, Kryogele, Amimele, mikroporöse Materialien und dergleichen kategorisiert werden können.Thus, airgel materials of the present disclosure include any aerogel or other open-celled material that satisfies the defining elements set forth in the preceding paragraphs; including materials that can be otherwise categorized as xerogels, cryogels, amimels, microporous materials, and the like.

Aerogel-Materialien können auch durch zusätzliche physikalische Eigenschaften weiter gekennzeichnet sein, einschließlich: (d) eines Porenvolumens von etwa 2,0 mL/g oder mehr, insbesondere etwa 3,0 mL/g oder mehr; (e) einer Dichte von etwa 0,50 g/cm3 oder weniger, insbesondere etwa 0,3 g/cm3 oder weniger, insbesondere etwa 0,25 g/cm3 oder weniger; und (f) mindestens 50 % des Gesamtporenvolumens, umfassend Poren mit einem Porendurchmesser zwischen 2 und 50 nm (obwohl hierin offenbarte Ausführungsformen Aerogel-Gerüste und -Zusammensetzungen einschließen, die Poren mit einem Porendurchmesser von mehr als 50 nm einschließen, wie nachstehend ausführlicher erörtert). Die Erfüllung dieser zusätzlichen Eigenschaften ist jedoch für die Charakterisierung einer Verbindung als Aerogel-Material nicht erforderlich.Airgel materials can also be further characterized by additional physical properties, including: (d) a pore volume of about 2.0 mL/g or greater, particularly about 3.0 mL/g or greater; (e) a density of about 0.50 g/cc or less, more preferably about 0.3 g/cc or less, more preferably about 0.25 g/cc or less; and (f) at least 50% of the total pore volume comprising pores with a pore diameter between 2 and 50 nm (although embodiments disclosed herein include airgel scaffolds and compositions that include pores with a pore diameter greater than 50 nm, as discussed in more detail below) . However, satisfying these additional properties is not required for a compound to be characterized as an airgel material.

Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung bezieht sich der Begriff „Aerogel-Zusammensetzung“ auf ein beliebiges Verbundmaterial, das Aerogel-Material als Bestandteil des Verbundstoffs einschließt. Beispiele für Aerogel-Zusammensetzungen schließen ein, sind aber nicht beschränkt auf faserverstärkte Aerogel-Zusammensetzungen; Aerogel-Verbundstoffe, die Zusatzstoffelemente wie Trübungsmittel einschließen; Aerogel-Verbundstoffe, verstärkt durch offenzellige makroporöse Gerüste; Aerogel-Polymer-Zusammensetzungen; und Verbundmaterialien, die teilchenförmiges Aerogel, Aerogel-Teilchen, -Granulat, -Perlen oder -Pulver in ein festes oder halbfestes Material integrieren, wie in Verbindung mit Bindemitteln, Harzen, Zementen, Schäumen, Polymeren oder ähnlichen festen Materialien. Aerogel-Zusammensetzungen werden im Allgemeinen nach dem Entfernen des Lösungsmittels aus verschiedenen hierin offenbarten Gelmaterialien erhalten. Die so erhaltenen Aerogel-Zusammensetzungen können ferner einer zusätzlichen Verarbeitung oder Behandlung unterzogen werden. Die verschiedenen Gelmaterialien können auch einer zusätzlichen Verarbeitung oder Behandlung unterzogen werden, die auf dem Fachgebiet anderweitig bekannt oder nützlich ist, bevor sie einer Lösungsmittelentfernung (oder Flüssigkeitsextraktion oder Trocknen) unterzogen werden.As used herein, the term "airgel composition" refers to any composite material that includes airgel material as a component of the composite. Examples of airgel compositions include, but are not limited to, fiber reinforced airgel compositions; airgel composites that include additive elements such as opacifiers; airgel composites reinforced by open-cell macroporous scaffolds; airgel polymer compositions; and composite materials that incorporate particulate airgel, airgel particles, granules, beads, or powder into a solid or semi-solid material, such as in conjunction with binders, resins, cements, foams, polymers, or similar solid materials. Airgel compositions are generally obtained after solvent removal from various gel materials disclosed herein. The airgel compositions thus obtained can also be subjected to additional processing or treatment. The various gel materials may also undergo additional processing or treatment otherwise known or useful in the art prior to being subjected to solvent removal (or liquid extraction or drying).

Aerogel-Zusammensetzungen der vorliegenden Offenbarung können verstärkte Aerogel-Zusammensetzungen umfassen. Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung bezieht sich der Begriff „verstärkte Aerogel-Zusammensetzung“ auf Aerogel-Zusammensetzungen, die eine Verstärkungsphase innerhalb des Aerogel-Materials umfassen, wobei die Verstärkungsphase nicht Teil des Aerogel-Gerüsts selbst ist.Airgel compositions of the present disclosure may include reinforced airgel compositions. As used herein, the term "reinforced airgel composition" refers to airgel compositions that include a reinforcement phase within the airgel material, where the reinforcement phase is not part of the airgel framework itself.

Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung bezieht sich der Begriff „faserverstärkte Aerogel-Zusammensetzung“ auf eine verstärkte Aerogel-Zusammensetzung, die als Verstärkungsphase ein Faserverstärkungsmaterial umfasst. Beispiele für Faserverstärkungsmaterialien schließen, ohne darauf beschränkt zu sein, diskrete Fasern, gewebte Materialien, trockengelegte Vliesmaterialien, nassgelegte Vliesmaterialien, Nadelvliesstoffe, Wattierungen, Bahnen, Matten, Filze und/oder Kombinationen davon ein.As used herein, the term "fiber-reinforced airgel composition" refers to a reinforced airgel composition that includes a fiber reinforcement material as the reinforcement phase. Examples of fibrous reinforcing materials include, but are not limited to, discrete fibers, woven materials, dry-laid nonwoven materials, wet-laid nonwoven materials, needle-punched nonwoven materials, battings, webs, mats, felts, and/or combinations thereof.

Faserverstärkungsmaterial kann aus organischen polymerbasierten Fasern, anorganischen Fasern, kohlenstoffbasierten Fasern oder einer Kombination davon ausgewählt sein. Faserverstärkungsmaterialien können eine Reihe von Materialien umfassen, einschließlich, aber nicht beschränkt auf: Polyester, Polyolefinterephthalate, Poly(ethylen)naphthalat, Polycarbonate (Beispiele Rayon, Nylon), Baumwolle (z. B. Lycra, hergestellt von DuPont), Kohlenstoff (z. B. Graphit), Polyacrylnitrile (PAN), oxidiertes PAN, unkarbonisierte wärmebehandelte PAN (wie von SGL Carbon hergestellt), auf Glas oder Glasfaser basierende Materialien (wie S-Glas, 901-Glas, 902-Glas, 475-Glas, E-Glas), auf Siliciumdioxid basierende Fasern wie Quarz (z. B. Quartzel, hergestellt von Saint-Gobain), Q-Filz (hergestellt von Johns Manville), Saffil (hergestellt von Saffil), Durablanket (hergestellt von Unifrax) und andere Siliciumdioxidfasern, Duraback (hergestellt von Carborundum), Polyaramidfasern wie Kevlar, Nomex, Sontera (alle hergestellt von DuPont), Conex (hergestellt von Taijin), Polyolefine wie Tyvek (hergestellt von DuPont), Dyneema (hergestellt von DSM), Spectra (hergestellt von Honeywell), andere Polypropylenfasern wie Typar, Xavan (beide hergestellt von DuPont), Fluorpolymere wie PTFE mit Handelsnamen wie Teflon (hergestellt von DuPont), Goretex (hergestellt von W.L. GORE), Siliciumcarbidfasern wie Nicalon (hergestellt von COI Ceramics), Keramikfasern wie Nextel (hergestellt von 3M), Acrylpolymere, Fasern aus Wolle, Seide, Hanf, Leder, Wildleder, PBO-Zylon-Fasern (hergestellt von Tyobo), Flüssigkristallmaterial wie Vectan (hergestellt von Hoechst), Cambrelle-Faser (hergestellt von DuPont), Polyurethane, Polyamide, Holzfasern, Bor-, Aluminium-, Eisen-, Edelstahlfasern und andere Thermoplaste wie PEEK, PES, PEI, PEK, PPS. Die Glasfaser-Verstärkungsmaterialien aus Glas oder Glasfaser können unter Verwendung einer oder mehrerer Techniken hergestellt werden. In bestimmten Ausführungsformen ist es wünschenswert, sie unter Verwendung von Kardierung und Kreuzlegen oder einen luftgelegten Prozess herzustellen. In Ausführungsbeispielen bieten kardierte und kreuzgelegte glas- oder glasfaserbasierte Verstärkungsmaterialien bestimmte Vorteile gegenüber luftgelegten Materialien. Zum Beispiel können kardierte und kreuzgelegte Glasfaserverstärkungsmaterialien aus Faserverstärkungsmaterialien eine konstante Materialdicke für ein bestimmtes Flächengewicht des Verstärkungsmaterials bereitstellen. In bestimmten zusätzlichen Ausführungsformen ist es wünschenswert, die Faserverstärkungsmaterialien ferner mit einer Notwendigkeit zu vernadeln, um die Fasern in z-Richtung für verbesserte mechanische und andere Eigenschaften in der endgültigen Aerogel-Zusammensetzung zu verflechten.Fibrous reinforcement material can be selected from organic polymer-based fibers, inorganic fibers, carbon-based fibers, or a combination thereof. Fibrous reinforcing materials can include a variety of materials including but not limited to: polyesters, polyolefin terephthalates, poly(ethylene) naphthalate, polycarbonates (e.g. rayon, nylon), cotton (e.g. Lycra manufactured by DuPont), carbon (e.g. e.g. graphite), polyacrylonitrile (PAN), oxidized PAN, uncarbonized heat treated PAN (as manufactured by SGL Carbon), glass or fiberglass based materials (such as S-Glass, 901-Glass, 902-Glass, 475-Glass, E- glass), on Silica based fibers such as Quartz (e.g. Quartzel manufactured by Saint-Gobain), Q-Felt (manufactured by Johns Manville), Saffil (manufactured by Saffil), Durablanket (manufactured by Unifrax) and other silica fibers, Duraback (manufactured by carborundum), polyaramid fibers such as Kevlar, Nomex, Sontera (all manufactured by DuPont), Conex (manufactured by Taijin), polyolefins such as Tyvek (manufactured by DuPont), Dyneema (manufactured by DSM), Spectra (manufactured by Honeywell), other polypropylene fibers such as Typar, Xavan (both manufactured by DuPont), fluoropolymers such as PTFE with trade names such as Teflon (manufactured by DuPont), Goretex (manufactured by WL GORE), silicon carbide fibers such as Nicalon (manufactured by COI Ceramics), ceramic fibers such as Nextel (manufactured by 3M), Acrylic polymers, fibers of wool, silk, hemp, leather, suede, PBO Zylon fibers (manufactured by Tyobo), liquid crystal material such as Vectan (manufactured by Hoechst), Cambrelle fiber (manufactured by DuPont), polyurethanes, polyamides, wood fibers, boron -, aluminum, iron, stainless steel fibers and other thermoplastics such as PEEK, PES, PEI, PEK, PPS. The glass or fiberglass fiberglass reinforcements can be made using one or more techniques. In certain embodiments, it is desirable to manufacture them using carding and cross-lapping or an air-laid process. In exemplary embodiments, carded and cross-laid glass or fiberglass-based reinforcement materials offer certain advantages over air-laid materials. For example, carded and cross-lapped fiberglass reinforcements made from fiber reinforcements can provide a constant material thickness for a given basis weight of reinforcement. In certain additional embodiments, it is desirable to further needle-punch the fibrous reinforcement materials with a need to intertwine the fibers in the z-direction for improved mechanical and other properties in the final airgel composition.

Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung beziehen sich Verweise auf „thermisches Durchgehen“ im Allgemeinen auf die plötzliche, schnelle Erhöhung der Zelltemperatur und des -drucks aufgrund verschiedener Betriebsfaktoren, die wiederum zu einer Ausbreitung einer übermäßigen Temperatur in einem zugehörigen Modul führen können. Mögliche Ursachen für thermisches Durchgehen in solchen Systemen können beispielsweise einschließen: Zelldefekte und/oder Kurzschlüsse (sowohl intern als auch extern), Überladung, Zellpunktion oder -bruch, wie im Falle eines Unfalls, und übermäßige Umgebungstemperaturen (z. B. Temperaturen üblicherweise größer als 55 °C). Im Normalbetrieb erwärmen sich die Zellen aufgrund des inneren Widerstands. Unter normalen Leistungs-/Stromlasten und Umgebungsbedingungen kann die Temperatur innerhalb der meisten Li-Ionen-Zellen relativ einfach gesteuert werden, um in einem Bereich von 20 °C bis 55 °C zu bleiben. Belastungsbedingungen wie eine hohe Leistungsaufnahme bei hohen Zell-/Umgebungstemperaturen sowie Defekte in einzelnen Zellen können jedoch die lokale Wärmeerzeugung stark erhöhen. Insbesondere werden oberhalb der kritischen Temperatur exotherme chemische Reaktionen innerhalb der Zelle aktiviert. Darüber hinaus erhöht sich die chemische Wärmeerzeugung üblicherweise exponentiell mit der Temperatur. Infolgedessen wird die Wärmeerzeugung viel größer als die verfügbare Wärmeableitung. Thermisches Durchgehen kann zu Zellentlüftung und inneren Temperaturen von über 200 °C führen.As used throughout this disclosure, references to “thermal runaway” generally refer to the sudden, rapid increase in cell temperature and pressure due to various operating factors, which in turn can lead to excessive temperature propagation in an associated module. Possible causes of thermal runaway in such systems may include, for example: cell defects and/or short circuits (both internal and external), overcharging, cell puncture or rupture, as in the event of an accident, and excessive ambient temperatures (e.g., temperatures typically greater than 55°C). During normal operation, the cells heat up due to internal resistance. Under normal power/current loads and environmental conditions, the temperature inside most Li-ion cells can be controlled with relative ease to stay within a range of 20°C to 55°C. However, stress conditions such as high power consumption at high cell/ambient temperatures and defects in individual cells can greatly increase local heat generation. In particular, above the critical temperature, exothermic chemical reactions are activated within the cell. In addition, chemical heat generation usually increases exponentially with temperature. As a result, the heat production becomes much greater than the available heat dissipation. Thermal runaway can cause cell venting and internal temperatures in excess of 200°C.

Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung beziehen sich die Begriffe „flexibel“ und „Flexibilität“ auf die Fähigkeit eines Materials oder einer Zusammensetzung, ohne makrostrukturelles Versagen gebogen oder gebeugt zu werden. Komprimierbare Schichten der vorliegenden Offenbarung sind in der Lage, mindestens 5 %, mindestens 25 %, mindestens 45 %, mindestens 65 % oder mindestens 85 % ohne makroskopischen Versagen zu komprimieren. Ebenso beziehen sich die Begriffe „hochflexibel“ oder „hohe Flexibilität“ auf Materialien, die sich auf mindestens 90° biegen können und/oder einen Biegeradius von weniger als U Zoll ohne makroskopisches Versagen aufweisen. Darüber hinaus beziehen sich die Begriffe „flexibel“ und „als flexibel eingestuft“ auf Materialien oder Zusammensetzungen, die gemäß ASTM Cl 101 (ASTM International, West Conshohocken, PA) als flexibel eingestuft werden können.As used herein, the terms "flexible" and "flexibility" refer to the ability of a material or composition to bend or bend without macrostructural failure. Compressible layers of the present disclosure are capable of compressing at least 5%, at least 25%, at least 45%, at least 65%, or at least 85% without macroscopic failure. Likewise, the terms "highly flexible" or "high flexibility" refer to materials that can bend to at least 90° and/or have a bend radius of less than U inches without macroscopic failure. In addition, the terms "flexible" and "classified as flexible" refer to materials or compositions that can be classified as flexible according to ASTM Cl 101 (ASTM International, West Conshohocken, PA).

Die Isolierschicht der vorliegenden Offenbarung kann als flexibel, hochflexibel und/oder flexibel eingestuft werden. Aerogel-Zusammensetzungen der vorliegenden Offenbarung können auch drapierbar sein. Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung beziehen sich die Begriffe „drapierbar“ und „Drapierbarkeit“ auf die Fähigkeit eines Materials, mit einem Krümmungsradius von etwa 4 Zoll oder weniger ohne makroskopisches Versagen auf 90° gebogen oder gebeugt zu werden. Die Isolierschicht gemäß bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung ist so flexibel, dass die Zusammensetzung nicht starr ist und auf dreidimensionale Oberflächen oder Objekte aufgebracht und an diese angepasst werden kann oder in eine Vielzahl von Formen und Konfigurationen vorgeformt werden kann, um die Installation oder Applikation zu vereinfachen.The insulating layer of the present disclosure can be categorized as flexible, highly flexible, and/or flexible. Airgel compositions of the present disclosure may also be drapable. As used herein, the terms "drapability" and "drapability" refer to the ability of a material to be bent or bent through 90° at a radius of curvature of about 4 inches or less without macroscopic failure. The insulating layer according to certain embodiments of the present disclosure is flexible enough that the composition is not rigid and can be applied and conformed to three-dimensional surfaces or objects or preformed into a variety of shapes and configurations to facilitate installation or application .

Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung beziehen sich die Begriffe „Zusatzstoff“ oder „Zusatzstoffelement“ auf Materialien, die einer Aerogel-Zusammensetzung vor, während oder nach der Herstellung des Aerogels zugegeben werden können. Zusatzstoffe können zugegeben werden, um wünschenswerte Eigenschaften in einem Aerogel zu verändern oder zu verbessern oder unerwünschten Eigenschaften in einem Aerogel entgegenzuwirken. Zusatzstoffe werden üblicherweise entweder vor dem Gelieren zur Vorläuferflüssigkeit, während der Gelierung zu einem Übergangszustandsmaterial oder nach der Gelierung zu einem festen oder halbfesten Material zu einem Aerogel-Material gegeben.As used herein, the terms "additive" or "additive element" refer to materials that are added to an airgel composition before, during, or after Production of the airgel can be added. Additives can be added to alter or improve desirable properties in an airgel or to counteract undesirable properties in an airgel. Additives are commonly added to an airgel material either before gelation to the precursor liquid, during gelation to a transition state material, or after gelation to a solid or semi-solid material.

Beispiele für Zusatzstoffe schließen ein, sind jedoch nicht beschränkt auf Mikrofasern, Füllstoffe, Verstärkungsmittel, Stabilisatoren, Verdickungsmittel, elastische Verbindungen, Trübungsmittel, Färbe- oder Pigmentierungsverbindungen, strahlungsabsorbierende Verbindungen, strahlungsreflektierende Verbindungen, Brandschutzzusatzstoffe, Korrosionsinhibitoren, wärmeleitfähige Komponenten, Komponenten, die thermische Kapazität bereitstellen, Phasenwechselmaterialien, pH-Regler, Redox-Regler, HCN-Mitigatoren, Abgas-Mitigatoren, elektrisch leitfähige Verbindungen, elektrisch dielektrische Verbindungen, magnetische Verbindungen, Radarblockierkomponenten, Härter, Antischrumpfmittel und andere Aerogel-Zusatzstoffe, die dem Fachmann bekannt sind.Examples of additives include, but are not limited to, microfibers, fillers, reinforcing agents, stabilizers, thickeners, elastic compounds, opacifiers, coloring or pigmenting compounds, radiation absorbing compounds, radiation reflecting compounds, fire retardant additives, corrosion inhibitors, thermally conductive components, components that provide thermal capacity , phase change materials, pH adjusters, redox adjusters, HCN mitigators, exhaust mitigators, electrically conductive compounds, electrically dielectric compounds, magnetic compounds, radar blocking components, curing agents, anti-shrink agents, and other airgel additives known to those skilled in the art.

In bestimmten Ausführungsformen können die Aerogel-Zusammensetzungen, verstärkten Aerogel-Zusammensetzungen und die hierin offenbarte Barriere während Hochtemperaturereignissen leistungsfähig sein, z. B. einen thermischen Schutz während Hochtemperaturereignissen bereitstellen, wie hierin offenbart. Hochtemperaturereignisse sind durch einen nachhaltigen Wärmefluss von mindestens etwa 25 kW/m², mindestens etwa 30 kW/m², mindestens etwa 35 kW/m² oder mindestens etwa 40 kW/m² über einen Bereich von mindestens etwa 1 cm² für mindestens 2 Sekunden gekennzeichnet. Ein Wärmefluss von etwa 40 kW/m² wurde mit dem Auftreten von typischen Bränden in Zusammenhang gebracht (Behavior of Charring Solids under Fire-Level Heat Fluxes; Milosavljevic, I., Suuberg, E.M.; NISTIR 5499; September 1994). In einem besonderen Fall ist das Hochtemperaturereignis ein Wärmefluss von einem Wärmefluss von etwa 40 kW/m über einen Bereich von mindestens etwa 10 cm² für eine Dauer von mindestens 1 Minute.In certain embodiments, the airgel compositions, reinforced airgel compositions, and barrier disclosed herein can perform during high temperature events, e.g. B. provide thermal protection during high temperature events as disclosed herein. High-temperature events are characterized by sustained heat flux of at least about 25 kW/m ² , at least about 30 kW/m ² , at least about 35 kW/m ² , or at least about 40 kW/m ² over an area of at least about 1 cm ² for at least 2 marked seconds. A heat flux of about 40 kW/m ² has been associated with the occurrence of typical fires (Behavior of Charring Solids under Fire-Level Heat Fluxes; Milosavljevic, I., Suuberg, EM; NISTIR 5499; September 1994). In a particular case, the high temperature event is a heat flux of about 40 kW/m heat flux over an area of at least about 10 cm ² for a duration of at least 1 minute.

Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung beziehen sich die Begriffe „Wärmeleitfähigkeit“ und „TC“ auf eine Messung der Fähigkeit eines Materials oder einer Zusammensetzung, Wärme zwischen zwei Oberflächen auf beiden Seiten des Materials oder der Zusammensetzung mit einer Temperaturdifferenz zwischen den zwei Oberflächen zu übertragen. Die Wärmeleitfähigkeit wird spezifisch als die pro Zeiteinheit und pro Oberflächeneinheit übertragene Wärmeenergie, geteilt durch die Temperaturdifferenz, gemessen. Sie wird üblicherweise in SI-Einheiten als mW/m*K (Milliwatt pro Meter * Kelvin) aufgezeichnet. Die Wärmeleitfähigkeit eines Materials kann durch Prüfverfahren bestimmt werden, die auf dem Fachgebiet bekannt sind, einschließlich, aber nicht beschränkt auf das Prüfverfahren für stationäre thermische Übertragungseigenschaften mittels der Wärmeflussmesseinrichtung (ASTM C518, ASTM International, West Conshohocken, PA); ein Prüfverfahren für stationäre Wärmeflussmessungen und thermische Übertragungseigenschaften mittels der Einrichtung von geschützten Heizplatten (ASTM C 177, ASTM International, West Conshohocken, PA); ein Prüfverfahren für stationäre Wärmeübertragungseigenschaften von Rohrisolierungen (ASTM C335, ASTM International, West Conshohocken, PA); eine Prüfung der thermischen Leitfähigkeit von dünnen Heizungen (ASTM C1 114, ASTM International, West Conshohocken, PA); Standard-Prüfverfahren für thermische Übertragungseigenschaften von thermisch leitfähigen elektrischen Isoliermaterialien (ASTM D5470, ASTM International, West Conshohocken, PA); Eine Bestimmung der thermischen Beständigkeit mittels Verfahren von geschützten Heizplatten und Wärmedurchflussmesser (EN 12667, British Standards Institution, Großbritannien); oder Bestimmung der stationären thermischen Beständigkeit und verwandten Eigenschaften - Einrichtung für geschützte Heizplatten (ISO 8203, Internationale Organisation für Normung, Schweiz). Aufgrund unterschiedlicher Verfahren, die möglicherweise zu unterschiedlichen Ergebnissen führen, versteht es sich, dass innerhalb des Kontextes der vorliegenden Offenbarung und sofern nicht ausdrücklich anderweitig angegeben, Wärmeleitfähigkeitsmessungen gemäß ASTM C518-Standard (Prüfverfahren für stationäre Übertragungseigenschaften mittels der Wärmeflussmesseinrichtung) bei einer Temperatur von etwa 37,5 °C bei Atmosphärendruck in Umgebung und unter einer Kompressionslast von etwa 2 psi erfasst werden. Die gemäß ASTM C518 angegebenen Messungen korrelieren üblicherweise gut mit allen Messungen, die gemäß EN 12667 durchgeführt wurden, mit beliebigen relevanten Anpassungen an die Kompressionslast.As used herein, the terms "thermal conductivity" and "TC" refer to a measurement of the ability of a material or composition to transfer heat between two surfaces on either side of the material or composition with a temperature differential between the two surfaces. Specifically, thermal conductivity is measured as the thermal energy transferred per unit time and per unit surface area divided by the temperature difference. It is commonly recorded in SI units as mW/m*K (milliwatts per meter * Kelvin). The thermal conductivity of a material can be determined by test methods known in the art, including but not limited to the steady state thermal transfer properties test method using the heat flow meter (ASTM C518, ASTM International, West Conshohocken, PA); a test method for steady-state heat flow measurements and thermal transfer properties using the protected hot plate setup (ASTM C 177, ASTM International, West Conshohocken, PA); a test method for steady state heat transfer properties of pipe insulation (ASTM C335, ASTM International, West Conshohocken, PA); a thin heater thermal conductivity test (ASTM C1 114, ASTM International, West Conshohocken, PA); Standard Test Methods for Thermal Transfer Properties of Thermally Conductive Electrical Insulating Materials (ASTM D5470, ASTM International, West Conshohocken, PA); A determination of thermal stability using protected hot plate and heat flow meter methods (EN 12667, British Standards Institution, UK); or Determination of steady-state thermal stability and related properties - Apparatus for shielded hot plates (ISO 8203, International Organization for Standardization, Switzerland). Due to different methods that may produce different results, it is to be understood that within the context of the present disclosure and unless expressly stated otherwise, thermal conductivity measurements are made according to the ASTM C518 standard (Test Method for Steady-State Transfer Properties Using the Heat Flow Meter) at a temperature of about 37 .5 °C at ambient atmospheric pressure and under a compressive load of approximately 2 psi. Measurements reported according to ASTM C518 usually correlate well with all measurements made according to EN 12667, with any relevant adjustments to the compression load.

Thermische Leitfähigkeitsmessungen können auch bei einer Temperatur von etwa 10 °C bei Atmosphärendruck unter Kompression erfasst werden.Thermal conductivity measurements can also be taken at a temperature of around 10°C at atmospheric pressure under compression.

Wärmeleitfähigkeitsmessungen bei 10 °C betragen im Allgemeinen 0,5-0,7 mW/mK weniger als entsprechende Wärmeleitfähigkeitsmessungen bei 37,5 °C. In bestimmten Ausführungsformen weist die Isolierschicht der vorliegenden Offenbarung eine Wärmeleitfähigkeit bei 10 °C von etwa 40 mW/mK oder weniger, etwa 30 mW/mK oder weniger, etwa 25 mW/mK oder weniger, etwa 20 mW/mK oder weniger, etwa 18 mW/mK oder weniger, etwa 16 mW/mK oder weniger, etwa 14 mW/mK oder weniger, etwa 12 mW/mK oder weniger, etwa 10 mW/mK oder weniger, etwa 5 mW/mK oder weniger oder in einem Bereich zwischen zwei dieser Werte auf.Thermal conductivity measurements at 10°C are generally 0.5-0.7 mW/mK less than equivalent thermal conductivity measurements at 37.5°C. In certain embodiments, the insulating layer of the present disclosure has a thermal conductivity at 10°C of about 40 mW/mK or less, about 30 mW/mK or less, about 25 mW/mK or less, about 20 mW/mK or less, about 18 mW/mK or less, about 16 mW/mK or less, about 14 mW/mK or less, about 12 mW/mK or less, about 10 mW/mK or less, about 5 mW/ mK or less or in a range between two of these values.

Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung bezieht sich der Begriff „Dichte“ auf eine Messung der Masse pro Volumeneinheit eines Materials oder einer Zusammensetzung. Der Begriff „Dichte“ bezieht sich im Allgemeinen auf die scheinbare Dichte eines Materials sowie die Schüttdichte einer Zusammensetzung. Dichte wird üblicherweise als kg/m³ oder g/cm³ aufgezeichnet. Die Dichte eines Materials oder einer Zusammensetzung, z. B. Aerogel, kann nach im Stand der Technik bekannten Verfahren bestimmt werden, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Standard-Prüfverfahren für Abmessungen und Dichte von vorgeformtem Block- und Platten-Wärmeisolierungen (ASTM C303, ASTM International, West Conshohocken, PA); Standard-Prüfverfahren für Dicke und Dichte von Dämmschichten oder Dämmplatten-Wärmeisolierungen (ASTM C167, ASTM International, West Conshohocken, PA); Bestimmung der scheinbaren Dichte von vorgeformten Rohrisolierungen (EN 13470, British Standards Institution, Großbritannien); oder Bestimmung der scheinbaren Dichte von vorgeformten Rohrisolierungen (ISO 18098, Internationale Organisation für Normierung, Schweiz). Aufgrund unterschiedlicher Verfahren, die möglicherweise zu unterschiedlichen Ergebnissen führen, versteht es sich, dass im Rahmen der vorliegenden Offenbarung Dichtemessungen gemäß ASTM C167-Standard (Standard-Prüfverfahren für Dicke und Dichte von Dämmschichten oder Dämmplatten-Wärmeisolierungen) bei 2 psi Kompression zur Dickenmessung erfasst werden, sofern nicht anderweitig angegeben. In bestimmten Ausführungsformen weisen Aerogel-Materialien oder Zusammensetzungen der vorliegenden Offenbarung eine Dichte von etwa 1,0 g/cm3 oder weniger, etwa 0,90 g/cm3 oder weniger, etwa 0,80 g/cm3 oder weniger, etwa 0,70 g/cm3 oder weniger, etwa 0,60 g/cm3 oder weniger, etwa 0,50 g/cm3 oder weniger, etwa 0,40 g/cm3 oder weniger, etwa 0,30 g/cm3 oder weniger, etwa 0,25 g/cm3 oder weniger, etwa 0,20 g/cm3 oder weniger, 0,18 g/cm3 oder weniger, etwa 0,16 g/cm3 oder weniger, etwa 0,14 g/cm3 oder weniger, etwa 0,12 g/cm3 oder weniger, etwa 0,10 g/cm3 oder weniger, etwa 0,05 g/cm3 oder weniger, etwa 0,01 g/cm3 oder weniger, etwa 0,05 g/cm3 oder weniger, etwa 0,01 g/cm3 oder weniger oder in einem Bereich zwischen zwei dieser Werte auf.As used herein, the term "density" refers to a measurement of mass per unit volume of a material or composition. The term "density" generally refers to the apparent density of a material as well as the bulk density of a composition. Density is usually recorded as kg/m ³ or g/cm ³ . The density of a material or composition, e.g. B. Airgel, can be determined by methods known in the art, including but not limited to Standard Test Methods for Dimensions and Density of Preformed Block and Panel Thermal Insulation (ASTM C303, ASTM International, West Conshohocken, PA); Standard Test Methods for Thickness and Density of Insulation Layers or Insulation Board Thermal Insulation (ASTM C167, ASTM International, West Conshohocken, PA); Determination of the apparent density of preformed pipe insulation (EN 13470, British Standards Institution, Great Britain); or Determination of the apparent density of preformed pipe insulation (ISO 18098, International Organization for Standardization, Switzerland). Due to different methods that may produce different results, it should be understood that within the scope of the present disclosure, density measurements are taken in accordance with ASTM C167 standard (Standard Test Method for Thickness and Density of Insulation Coating or Insulation Board Thermal Insulation) at 2 psi compression for thickness measurement , unless otherwise noted. In certain embodiments, airgel materials or compositions of the present disclosure have a density of about 1.0 g/cc or less, about 0.90 g/cc or less, about 0.80 g/cc or less, about 0.70 g /cm3 or less, about 0.60 g/cm3 or less, about 0.50 g/cm3 or less, about 0.40 g/cm3 or less, about 0.30 g/cm3 or less, about 0.25 g /cm3 or less, about 0.20 g/cm3 or less, 0.18 g/cm3 or less, about 0.16 g/cm3 or less, about 0.14 g/cm3 or less, about 0.12 g/ cm3 or less, about 0.10 g/cm3 or less, about 0.05 g/cm3 or less, about 0.01 g/cm3 or less, about 0.05 g/cm3 or less, about 0.01 g/ cm3 or less or in a range between two of these values.

Die Hydrophobizität eines Aerogel-Materials oder einer Aerogel-Zusammensetzung kann hinsichtlich der Wasserdampfaufnahme ausgedrückt werden. Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung bezieht sich der Begriff „Wasserdampfaufnahme“ auf eine Messung des Potentials eines Aerogel-Materials oder einer Zusammensetzung zum Absorbieren von Wasserdampf. Die Wasserdampfaufnahme kann als Prozentsatz (bezogen auf das Gewicht) von Wasser ausgedrückt werden, das von einem Aerogel-Material oder einer Aerogel-Zusammensetzung absorbiert oder anderweitig zurückgehalten wird, wenn es unter bestimmten Messbedingungen Wasserdampf ausgesetzt wird. Die Wasserdampfaufnahme eines Aerogel-Materials oder einer Aerogel-Zusammensetzung kann durch im Stand der Technik bekannte Verfahren bestimmt werden, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Standard-Prüfverfahren zur Bestimmung der Wasserdampfsorption von unebenem Mineralfaserisolierungen (ASTM C 1104, ASTM International, West Conshohocken, PA); Thermische Isolierprodukte für Bauanwendungen: Bestimmung der Langzeitwasserabsorption durch Diffusion (EN 12088, British Standards Institution, Großbritannien). Aufgrund unterschiedlicher Verfahren, die möglicherweise zu unterschiedlichen Ergebnissen führen, versteht es sich, dass im Rahmen der vorliegenden Offenbarung Messungen der Wasserdampfabnahme gemäß ASTM C 1104-Standard (Standard-Prüfverfahren zur Bestimmung der Wasserdampfsorption von unebenem Mineralfaserisolierungen) bei 49 °C und 95 % Luftfeuchtigkeit für 24 Stunden (modifiziert von 96 Stunden gemäß dem ASTM C 1104-Standard) unter Umgebungsdruck erfasst werden, sofern nicht anderweitig angegeben. In bestimmten Ausführungsformen können Aerogel-Materialien oder Zusammensetzungen der vorliegenden Offenbarung eine Wasserdampfaufnahme von etwa 50 Gew.-% oder weniger, etwa 40 Gew.-% oder weniger, etwa 30 Gew.-% oder weniger, etwa 20 Gew.-% oder weniger, etwa 15 Gew.-% oder weniger, etwa 10 Gew.-% oder weniger, etwa 8 Gew.-% oder weniger, etwa 3 Gew.-% oder weniger, etwa 2 Gew.-% oder weniger, etwa 1 Gew.-% oder weniger, etwa 0,1 Gew.-% oder weniger oder in einem Bereich zwischen zwei dieser Werte aufweisen. Ein Aerogel-Material oder eine Aerogel-Zusammensetzung, die eine verbesserte Wasserdampfaufnahme relativ zu einem anderen Aerogel-Material oder einer Aerogel-Zusammensetzung aufweist, weist einen geringeren Prozentsatz an Wasserdampfaufnahme/-retention relativ zu den Aerogel-Referenzmaterialien oder Aerogel-Referenzzusammensetzungen auf.The hydrophobicity of an airgel material or composition can be expressed in terms of water vapor uptake. As used herein, the term “water vapor uptake” refers to a measurement of the potential of an airgel material or composition to absorb water vapor. Water vapor uptake can be expressed as a percentage (by weight) of water absorbed or otherwise retained by an airgel material or composition when exposed to water vapor under specified measurement conditions. The water vapor uptake of an airgel material or an airgel composition can be determined by methods known in the art, including but not limited to Standard Test Methods for Determining Water Vapor Sorption of Uneven Mineral Fiber Insulation (ASTM C 1104, ASTM International, West Conshohocken, PA ); Thermal insulation products for building applications: Determination of long-term water absorption by diffusion (EN 12088, British Standards Institution, United Kingdom). Due to different methods that may produce different results, it should be understood that within the scope of this disclosure, measurements of water vapor absorption according to the ASTM C 1104 standard (Standard Test Method for Determining Water Vapor Sorption of Uneven Mineral Fiber Insulation) at 49°C and 95% humidity for 24 hours (modified from 96 hours according to the ASTM C 1104 standard) at ambient pressure unless otherwise noted. In certain embodiments, airgel materials or compositions of the present disclosure can have a water vapor uptake of about 50% by weight or less, about 40% by weight or less, about 30% by weight or less, about 20% by weight or less , about 15% by weight or less, about 10% by weight or less, about 8% by weight or less, about 3% by weight or less, about 2% by weight or less, about 1% by weight. -% or less, about 0.1% by weight or less or in a range between two of these values. An airgel material or airgel composition that exhibits improved water vapor uptake relative to another airgel material or airgel composition exhibits a lower percentage of water vapor uptake/retention relative to the reference airgel materials or airgel compositions.

Die Hydrophobizität eines Aerogel-Materials oder einer Aerogel-Zusammensetzung können durch Messen des Gleichgewichtskontaktwinkels eines Wassertropfens an der Grenzfläche mit der Oberfläche des Materials ausgedrückt werden. Aerogel-Materialien oder Aerogel-Zusammensetzungen der vorliegenden Offenbarung können einen Wasserkontaktwinkel von etwa 90° oder mehr, etwa 120° oder mehr, etwa 130° oder mehr, etwa 140° oder mehr, etwa 150° oder mehr, etwa 160° oder mehr, etwa 170° oder mehr, etwa 175° oder mehr oder in einem Bereich zwischen zwei beliebigen dieser Werte aufweisen.The hydrophobicity of an airgel material or an airgel composition can be expressed by measuring the equilibrium contact angle of a water droplet at the interface with the surface of the material. Airgel materials or airgel compositions of the present disclosure can have a water contact angle of about 90° or greater, about 120° or greater, about 130° or greater, about 140° or greater, about 150° or greater, about 160° or greater, about 170° or greater, about 175° or greater, or in a range between any two of these values.

Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung beziehen sich die Begriffe „Verbrennungswärme“, „HOC“ und „ΔHC“ auf eine Messung der Menge an Wärmeenergie, die bei der Verbrennung oder exothermen thermischen Zersetzung eines Materials oder einer Zusammensetzung freigesetzt wird. Die Verbrennungswärme wird üblicherweise in Kalorien von Wärmeenergie aufgezeichnet, die pro Gramm Aerogel-Material oder Aerogel-Zusammensetzung (cal/g) freigesetzt wird, oder als Megajoule von Wärmeenergie, die pro Kilogramm Material oder Zusammensetzung (MJ/kg) freigesetzt wird. Die Verbrennungswärme eines Materials oder einer Zusammensetzung kann nach im Stand der Technik bekannten Verfahren bestimmt werden, einschließlich, aber nicht beschränkt auf die Reaktion auf Brandprüfungen für Produkte - Bestimmung der Verbrennungsbruttowärme (Brennwert) (EN ISO 1716, Internationale Organisation für Normierung, Schweiz; EN angenommen). Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung werden die Verbrennungswärmemessungen gemäß EN ISO 1716-Standards (Reaktion auf Brandprüfungen für Produkte - Bestimmung der Verbrennungsbruttowärme (Brennwert)) erfasst, sofern nicht anderweitig angegeben.As used herein, the terms heat of combustion, HOC, and ΔHC refer to a measurement of the amount of thermal energy released upon combustion or exothermic thermal decomposition of a material or composition. Heat of combustion is commonly recorded in calories of heat energy released per gram of airgel material or airgel composition (cal/g) or as megajoules of heat energy released per kilogram of material or composition (MJ/kg). The heat of combustion of a material or composition can be determined by methods known in the art, including but not limited to Response to Fire Testing for Products - Determination of Gross Heat of Combustion (Gross Value) (EN ISO 1716, International Organization for Standardization, Switzerland; EN assumed). For purposes of this disclosure, heat of combustion measurements are collected according to EN ISO 1716 standards (Product Fire Test Response - Determination of Gross Heat of Combustion (Ger)) unless otherwise noted.

Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung werden alle thermischen Analysen und verwandte Definitionen mit Messungen referenziert, die beginnend bei 25 °C und bei einer Geschwindigkeit von 20 °C pro Minute auf bis zu 1000 °C in Luft bei Umgebungsdruck ansteigend durchgeführt werden. Dementsprechend müssen alle Änderungen dieser Parameter berücksichtigt werden (oder unter diesen Bedingungen erneut durchgeführt werden), um den Anfang der thermischen Zersetzung, die Temperatur der Spitzenwärmefreisetzung, die Temperatur der Spitzenwärmeabsorption und dergleichen zu messen.Throughout the present disclosure, all thermal analysis and related definitions are referenced to measurements performed starting at 25°C and increasing at a rate of 20°C per minute up to 1000°C in air at ambient pressure. Accordingly, any changes in these parameters must be accounted for (or performed again under these conditions) in order to measure the onset of thermal decomposition, the peak heat release temperature, the peak heat absorption temperature, and the like.

Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung beziehen sich die Begriffe „Anfang der thermischen Zersetzung“ und „TD“ auf eine Messung der niedrigsten Temperatur von Umgebungswärme, bei der schnelle exotherme Reaktionen aus der Zersetzung von organischem Material innerhalb eines Materials oder einer Zusammensetzung hervorgehen. Der Anfang der thermischen Zersetzung von organischem Material innerhalb eines Materials oder einer Zusammensetzung kann mit thermogravimetrischer Analyse (TGA) gemessen werden. Die TGA-Kurve eines Materials zeigt den Gewichtsverlust (% Masse) eines Materials, während es einer Erhöhung der Umgebungstemperatur ausgesetzt ist, und gibt somit die thermische Zersetzung an. Der Anfang der thermischen Zersetzung eines Materials kann mit dem Schnittpunkt der folgenden Tangentenlinien der TGA korreliert werden: eine Linie, die die Grundlinie der TGA-Kurve tangiert, und eine Linie, die die TGA-Kurve am Punkt der maximalen Steigung während des schnellen exothermen Zersetzungsereignisses, das mit der Zersetzung von organischem Material in Zusammenhang steht, tangiert. Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung werden Messungen des Anfangs der thermischen Zersetzung von organischem Material unter Verwendung von TGA-Analyse erfasst, wie in diesem Absatz bereitgestellt, sofern nicht anderweitig angegeben.As used herein, the terms "onset of thermal decomposition" and "TD" refer to a measurement of the lowest temperature of ambient heat at which rapid exothermic reactions result from the decomposition of organic matter within a material or composition. The onset of thermal decomposition of organic matter within a material or composition can be measured with thermogravimetric analysis (TGA). A material's TGA curve shows the weight loss (% mass) of a material as it is subjected to an increase in ambient temperature, and thus indicates thermal degradation. The onset of thermal decomposition of a material can be correlated to the intersection of the following tangent lines to the TGA: a line tangent to the baseline of the TGA curve and a line intersecting the TGA curve at the point of maximum slope during the rapid exothermic decomposition event , which is related to the decomposition of organic material. Within the scope of the present disclosure, measurements of onset of thermal decomposition of organic material are collected using TGA analysis, as provided in this paragraph, unless otherwise noted.

Der Anfang der thermischen Zersetzung eines Materials kann auch unter Verwendung von Differentialscanningkalorimetrie (DSC) gemessen werden. Die DSC-Kurve eines Materials stellt die Wärmeenergie (mW/mg) dar, die durch ein Material freigesetzt wird, während dieses einem allmählichen Anstieg der Umgebungstemperatur ausgesetzt ist. Die Anfangstemperatur der thermischen Zersetzung eines Materials kann mit dem Punkt in der DSC-Kurve korreliert werden, bei dem die Δ mW/mg (Änderung der Wärmeenergieabgabe) maximal zunimmt, wodurch eine exotherme Wärmeerzeugung aus dem Aerogel-Material angezeigt wird. Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung werden Messungen des Anfangs der thermischen Zersetzung unter Verwendung von DSC, TGA oder beiden unter Verwendung einer Temperaturrampe von 20 °C/min erfasst, wie weiter im vorstehenden Absatz definiert, sofern nicht ausdrücklich anderweitig angegeben. DSC und TGA stellen jeweils ähnliche Werte für diesen Anfang der thermischen Zersetzung bereit, und oftmals werden die Prüfungen gleichzeitig durchgeführt, so dass Ergebnisse von beiden erhalten werden.The onset of thermal degradation of a material can also be measured using differential scanning calorimetry (DSC). The DSC curve of a material represents the thermal energy (mW/mg) released by a material as it is subjected to a gradual increase in ambient temperature. The onset temperature of thermal decomposition of a material can be correlated to the point on the DSC curve where the Δ mW/mg (change in thermal energy output) increases maximally, indicating exothermic heat generation from the airgel material. For purposes of the present disclosure, measurements of onset of thermal decomposition are collected using DSC, TGA, or both using a 20°C/min temperature ramp, as further defined in the preceding paragraph, unless expressly stated otherwise. DSC and TGA each provide similar values for this onset of thermal degradation, and often the tests are run simultaneously so that results from both are obtained.

Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung beziehen sich die Begriffe „Anfang der endothermen Zersetzung“ und „TED“ auf eine Messung der niedrigsten Temperatur von Umgebungswärme, bei der endotherme Reaktionen aus der Zersetzung oder der Dehydratisierung innerhalb eines Materials oder einer Zusammensetzung auftreten. Der Anfang der endothermen Zersetzung eines Materials oder einer Zusammensetzung kann mit thermogravimetrischer Analyse (TGA) gemessen werden. Die TGA-Kurve eines Materials gibt den Gewichtsverlust (% Masse) eines Materials an, während es einer Erhöhung der Umgebungstemperatur ausgesetzt ist. Der Anfang der thermischen Zersetzung eines Materials kann mit dem Schnittpunkt der folgenden Tangentenlinien der TGA korreliert werden: eine Linie, die die Grundlinie der TGA-Kurve tangiert, und eine Linie, die die TGA-Kurve am Punkt der maximalen Steigung während des schnellen endothermen Zersetzung oder Dehydrierung des Materials. Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung werden Messungen des Anfangs der endothermen Zersetzung eines Materials oder einer Zusammensetzung unter Verwendung von TGA-Analyse erfasst, wie in diesem Absatz bereitgestellt, sofern nicht anderweitig angegeben.As used herein, the terms “endothermic decomposition onset” and “TED” refer to a measurement of the lowest temperature of ambient heat at which endothermic reactions from decomposition or dehydration occur within a material or composition. The onset of endothermic decomposition of a material or composition can be measured with thermogravimetric analysis (TGA). A material's TGA curve indicates the weight loss (% mass) of a material as it is subjected to an increase in ambient temperature. The onset of thermal decomposition of a material can be correlated to the intersection of the following tangent lines to the TGA: a line tangent to the baseline of the TGA curve and a line intersecting the TGA curve at the point of maximum slope during rapid endothermic decomposition or dehydration of the material. Within the scope of the present disclosure, measurements of the Initial endothermic decomposition of a material or composition detected using TGA analysis as provided in this paragraph unless otherwise noted.

Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung beziehen sich die Begriffe „Ofentemperaturanstieg“ und ,,ΔTR" auf eine Messung der Differenz zwischen einer Maximaltemperatur (TMAX) eines Materials oder einer Zusammensetzung unter thermischen Zersetzungsbedingungen relativ zu einer Grundlinientemperatur dieses Materials oder dieser Zusammensetzung unter den thermischen Zersetzungsbedingungen (normalerweise die Endtemperatur oder TFIN). Der Ofentemperaturanstieg wird üblicherweise in Grad Celsius oder °C aufgezeichnet. Der Ofentemperaturanstieg eines Materials oder einer Zusammensetzung kann nach im Stand der Technik bekannten Verfahren bestimmt werden, einschließlich, aber nicht beschränkt auf die Reaktion auf Brandprüfungen für Bau- und Transportprodukte: Nicht-Brennbarkeitsprüfung ( EN ISO 1182 , Internationale Organisation für Normierung, Schweiz; EN angenommen). Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung werden Ofentemperaturanstiegsmessungen gemäß den Bedingungen, die der Norm EN ISO 1182 entsprechen, erfasst (Reaktion auf Brandprüfungen für Bau- und Transportprodukte: Nicht-Brennbarkeitsprüfung), sofern nicht anderweitig angegeben. In bestimmten Ausführungsformen können Aerogel-Zusammensetzungen der vorliegenden Offenbarung einen Ofentemperaturanstieg von etwa 100 °C oder weniger, etwa 90 °C oder weniger, etwa 80 °C oder weniger, etwa 70 °C oder weniger, etwa 60 °C oder weniger, etwa 50 °C oder weniger, etwa 45 °C oder weniger, etwa 40 °C oder weniger, etwa 38 °C oder weniger, etwa 36 °C oder weniger, etwa 34 °C oder weniger, etwa 32 °C oder weniger, etwa 30 °C oder weniger, etwa 28 °C oder weniger, etwa 26 °C oder weniger, etwa 24 °C oder weniger oder in einem Bereich zwischen zwei dieser Werte aufweisen. Im Rahmen der Zusammensetzungsstabilität bei erhöhten Temperaturen würde beispielsweise eine erste Zusammensetzung mit einem Ofentemperaturanstieg, der niedriger als ein Ofentemperaturanstieg einer zweiten Zusammensetzung ist, als eine Verbesserung der ersten Zusammensetzung gegenüber der zweiten Zusammensetzung angesehen werden. Es wird hierin in Betracht gezogen, dass der Ofentemperaturanstieg einer Zusammensetzung bei Zugabe von einem oder mehreren Brandschutzzusatzstoffen reduziert wird, verglichen mit einer Zusammensetzung, die keine Brandschutzzusatzstoffe einschließt.As used herein, the terms "oven temperature rise" and "ΔTR" refer to a measurement of the difference between a maximum temperature (TMAX) of a material or composition under thermal decomposition conditions relative to a baseline temperature of that material or composition under the thermal decomposition conditions ( usually the final temperature or TFIN. Oven temperature rise is usually recorded in degrees Celsius or °C. The oven temperature rise of a material or composition can be determined by methods known in the art, including but not limited to the response to fire tests for structural and Transport Products: Non-Combustibility Test ( EN ISO 1182 , International Organization for Standardization, Switzerland; EN accepted). For the purposes of this disclosure, oven temperature rise measurements are collected according to the conditions conforming to EN ISO 1182 (Fire Test Response for Construction and Transport Products: Non-Combustibility Test), unless otherwise noted. In certain embodiments, airgel compositions of the present disclosure can have an oven temperature rise of about 100°C or less, about 90°C or less, about 80°C or less, about 70°C or less, about 60°C or less, about 50 °C or less, about 45 °C or less, about 40 °C or less, about 38 °C or less, about 36 °C or less, about 34 °C or less, about 32 °C or less, about 30 °C C or less, about 28°C or less, about 26°C or less, about 24°C or less, or in a range between two of these values. For example, in the context of composition stability at elevated temperatures, a first composition having an oven temperature rise that is less than an oven temperature rise of a second composition would be considered an improvement of the first composition over the second composition. It is contemplated herein that the oven temperature rise of a composition is reduced with the addition of one or more fire retardant additives compared to a composition that does not include fire retardant additives.

Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung beziehen sich die Begriffe „Flammzeit“ und „TFLAME“ auf eine Messung von nachhaltiger Beflammung eines Materials oder einer Zusammensetzung unter thermischen Zersetzungsbedingungen, bei denen „nachhaltige Beflammung“ eine bleibende Flamme an jedem Teil des sichtbaren Teils der Probe, die 5 Sekunden oder länger dauert, ist. Die Flammzeit wird üblicherweise in Sekunden oder Minuten aufgezeichnet. Die Flammzeit eines Materials oder einer Zusammensetzung kann nach im Stand der Technik bekannten Verfahren bestimmt werden, einschließlich, aber nicht beschränkt auf die Reaktion auf Brandprüfungen für Bau- und Transportprodukte: Nicht-Brennbarkeitsprüfung ( EN ISO 1182 , Internationale Organisation für Normierung, Schweiz; EN angenommen). Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung werden Flammzeitmessungen gemäß den Bedingungen, die der Norm EN ISO 1182 entsprechen, erfasst (Reaktion auf Brandprüfungen für Bau- und Transportprodukte: Nicht-Brennbarkeitsprüfung), sofern nicht anderweitig angegeben. In bestimmten Ausführungsformen weisen Aerogel-Zusammensetzungen der vorliegenden Offenbarung eine Flammzeit von etwa 30 Sekunden oder weniger, etwa 25 Sekunden oder weniger, etwa 20 Sekunden oder weniger, etwa 15 Sekunden oder weniger, etwa 10 Sekunden oder weniger, etwa 5 Sekunden oder weniger, etwa 2 Sekunden oder weniger oder in einem Bereich zwischen zwei dieser Werte auf. Innerhalb des vorliegenden Rahmens würde zum Beispiel eine erste Zusammensetzung mit einer Flammzeit, die niedriger als eine Flammzeit einer zweiten Zusammensetzung ist, als eine Verbesserung der ersten Zusammensetzung gegenüber der zweiten Zusammensetzung betrachtet werden. Es wird hierin in Betracht gezogen, dass die Flammzeit einer Zusammensetzung bei Zugabe von einem oder mehreren Brandschutzzusatzstoffen reduziert wird, verglichen mit einer Zusammensetzung, die keine Brandschutzzusatzstoffe einschließt.As used herein, the terms "flame time" and "TFLAME" refer to a measurement of sustained flaming of a material or composition under thermal decomposition conditions where "sustained flaming" is a residual flame at any portion of the visible portion of the sample that 5 seconds or more is. Flame time is usually recorded in seconds or minutes. The flame time of a material or composition can be determined by methods known in the art, including but not limited to the response to fire tests for construction and transportation products: non-combustibility test ( EN ISO 1182 , International Organization for Standardization, Switzerland; EN accepted). Within the scope of the present disclosure, flame time measurements according to the conditions of the EN ISO 1182 standard (Response to Fire Testing for Construction and Transportation Products: Non-Combustibility Test) unless otherwise noted. In certain embodiments, airgel compositions of the present disclosure have a flame time of about 30 seconds or less, about 25 seconds or less, about 20 seconds or less, about 15 seconds or less, about 10 seconds or less, about 5 seconds or less, about 2 seconds or less or in a range between two of these values. For example, within the present framework, a first composition having a flash time that is less than a flash time of a second composition would be considered an improvement of the first composition over the second composition. It is contemplated herein that the flame time of a composition is reduced upon the addition of one or more fire retardant additives compared to a composition that does not include fire retardant additives.

Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung beziehen sich die Begriffe „Massenverlust“ und ,,ΔM" auf eine Messung der Menge eines Materials, einer Zusammensetzung oder eines Verbundstoffs, die unter thermischen Zersetzungsbedingungen verloren gehen oder abgebrannt werden. Massenverlust wird üblicherweise als Gewichtsprozent oder Gew.-% aufgezeichnet. Der Massenverlust eines Materials, einer Zusammensetzung oder eines Verbundstoffs kann durch im Stand der Technik bekannte Verfahren bestimmt werden, einschließlich, aber nicht beschränkt auf: Reaktion auf Brandprüfungen für Bau- und Transportprodukte: Nicht-Brennbarkeitsprüfung ( EN ISO 1182 , Internationale Organisation für Normierung, Schweiz; EN angenommen). Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung werden Massenverlustmessungen gemäß den Bedingungen, die der Norm EN ISO 1182 entsprechen, erfasst (Reaktion auf Brandprüfungen für Bau- und Transportprodukte: Nicht-Brennbarkeitsprüfung), sofern nicht anderweitig angegeben. In bestimmten Ausführungsformen können die Isolierschicht oder Aerogel-Zusammensetzungen der vorliegenden Offenbarung einen Massenverlust von etwa 50 % oder weniger, etwa 40 % oder weniger, etwa 30 % oder weniger, etwa 28 % oder weniger, etwa 26 % oder weniger, etwa 24 % oder weniger, etwa 22 % oder weniger, etwa 20 % oder weniger, etwa 18 % oder weniger, etwa 16 % oder weniger oder in einem Bereich zwischen zwei beliebigen dieser Werte aufweisen. Innerhalb des vorliegenden Rahmens würde zum Beispiel eine erste Zusammensetzung mit einem Massenverlust, der niedriger als ein Massenverlust einer zweiten Zusammensetzung ist, als eine Verbesserung der ersten Zusammensetzung gegenüber der zweiten Zusammensetzung betrachtet werden. Es wird hierin in Betracht gezogen, dass der Massenverlust einer Zusammensetzung bei Zugabe von einem oder mehreren Brandschutzzusatzstoffen reduziert wird, verglichen mit einer Zusammensetzung, die keine Brandschutzzusatzstoffe einschließt.As used herein, the terms "mass loss" and "ΔM" refer to a measurement of the amount of a material, composition, or composite that is lost or burned off under thermal decomposition conditions. Mass loss is commonly expressed as weight percent or wt. % is recorded.The mass loss of a material, composition, or composite can be determined by methods known in the art, including but not limited to: Response to Fire Tests for Construction and Transportation Products: Non-Combustibility Test ( EN ISO 1182 , International Organization for Standardization, Switzerland; EN accepted). As part of the present disclosure, mass loss measurements according to the conditions of the EN ISO 1182 standard (Response to Fire Testing for Construction and Transportation Products: Non-Combustibility Test) unless otherwise noted. In certain embodiments, the insulating layer or airgel compositions of the present disclosure can tion a mass loss of about 50% or less, about 40% or less, about 30% or less, about 28% or less, about 26% or less, about 24% or less, about 22% or less, about 20% or less, about 18% or less, about 16% or less, or in a range between any two of these values. For example, within the present framework, a first composition having a mass loss that is lower than a mass loss of a second composition would be considered an improvement of the first composition over the second composition. It is contemplated herein that the mass loss of a composition upon addition of one or more fire retardant additives is reduced compared to a composition that does not include fire retardant additives.

Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung bezieht sich der Begriff „Temperatur der Spitzenwärmefreisetzung“ auf eine Messung der Temperatur der Umgebungstemperatur, bei der sich die exotherme Wärmefreisetzung aus der Zersetzung am Maximum befindet. Die Temperatur der Spitzenwärmefreisetzung eines Materials oder einer Zusammensetzung kann unter Verwendung von TGA-Analyse, Differentialscanningkalorimetrie (DSC) oder einer Kombination davon gemessen werden. DSC und TGA würden jeweils ähnliche Werte für die Temperatur der Spitzenwärmefreisetzung bereitstellen, und oftmals werden die Prüfungen gleichzeitig durchgeführt, so dass Ergebnisse von beiden erhalten werden. In einer typischen DSC-Analyse ist der Wärmefluss gegen die steigende Temperatur aufgetragen, wobei die Temperatur der Spitzenwärmefreisetzung die Temperatur ist, bei der die höchste Spitze in einer solchen Kurve auftritt. Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung werden Messungen der Temperatur der Spitzenwärmefreisetzung eines Materials oder einer Zusammensetzung unter Verwendung von TGA-Analyse erfasst, wie in diesem Absatz bereitgestellt, sofern nicht anderweitig angegeben.As used herein, the term "peak heat release temperature" refers to a measurement of the temperature of the ambient temperature at which the exothermic heat release from decomposition is at its maximum. The peak exotherm temperature of a material or composition can be measured using TGA analysis, differential scanning calorimetry (DSC), or a combination thereof. DSC and TGA would each provide similar values for the peak heat release temperature, and often the tests are run simultaneously so that results from both are obtained. In a typical DSC analysis, heat flow is plotted against increasing temperature, with the peak heat release temperature being the temperature at which the highest peak in such a curve occurs. Within the scope of the present disclosure, measurements of the peak heat release temperature of a material or composition are collected using TGA analysis, as provided in this paragraph, unless otherwise noted.

Im Zusammenhang mit einem endothermen Material beziehen sich die Begriffe „Temperatur der Spitzenwärmeabsorption“ auf eine Messung der Temperatur der Umgebungstemperatur, bei der die endotherme Wärmeabsorption aus der Zersetzung minimal ist. Die Temperatur der Spitzenwärmeabsorption eines Materials oder einer Zusammensetzung kann unter Verwendung von TGA-Analyse, Differentialscanningkalorimetrie (DSC) oder einer Kombination davon gemessen werden. In the context of an endothermic material, the terms "peak heat absorption temperature" refer to a measurement of the temperature of the ambient temperature at which endothermic heat absorption from decomposition is minimal. The peak heat absorption temperature of a material or composition can be measured using TGA analysis, differential scanning calorimetry (DSC), or a combination thereof.

In einer typischen DSC-Analyse ist der Wärmefluss gegen die steigende Temperatur aufgetragen, wobei die Temperatur der Spitzenwärmeabsorption die Temperatur ist, bei der die niedrigste Spitze in einer solchen Kurve auftritt. Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung werden Messungen der Temperatur der Spitzenwärmeabsorption eines Materials oder einer Zusammensetzung unter Verwendung von TGA-Analyse erfasst, wie in diesem Absatz bereitgestellt, sofern nicht anderweitig angegeben.In a typical DSC analysis, heat flow is plotted against increasing temperature, with the peak heat absorption temperature being the temperature at which the lowest peak in such a curve occurs. Within the scope of the present disclosure, measurements of the peak heat absorption temperature of a material or composition are collected using TGA analysis, as provided in this paragraph, unless otherwise noted.

Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung bezieht sich der Begriff „schwere Entflammbarkeit“ und „schwer entflammbar“ auf ein Material oder eine Zusammensetzung, das die folgende Kombination von Eigenschaften erfüllt: i) einen Ofentemperaturanstieg von 50 °C oder weniger; ii) eine Flammzeit von 20 Sekunden oder weniger; und iii) einen Massenverlust von 50 Gew.-% oder weniger. Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung bezieht sich der Begriff „Nicht-Entflammbarkeit“ und „nicht entflammbar“ auf ein Material oder eine Zusammensetzung, das die folgende Kombination von Eigenschaften erfüllt: i) einen Ofentemperaturanstieg von 40 °C oder weniger; ii) eine Flammzeit von 2 Sekunden oder weniger; und iii) einen Massenverlust von 30 Gew.-% oder weniger. Es wird in Betracht gezogen, dass die Entflammbarkeit (z. B. Kombination von Ofentemperaturanstieg, Flammzeit und Massenverlust) einer Zusammensetzung bei der Einbeziehung eines oder mehrerer Brandschutzzusatzstoffe reduziert wird, wie hierin beschrieben.As used herein, the terms "low flammability" and "flame resistant" refer to a material or composition that meets the following combination of properties: i) an oven temperature rise of 50°C or less; ii) a flame time of 20 seconds or less; and iii) a mass loss of 50% by weight or less. As used in this disclosure, the terms "non-flammability" and "non-flammable" refer to a material or composition that satisfies the following combination of properties: i) an oven temperature rise of 40°C or less; ii) a flame time of 2 seconds or less; and iii) a mass loss of 30% by weight or less. It is contemplated that the flammability (e.g., combination of oven temperature rise, flame time, and mass loss) of a composition is reduced upon inclusion of one or more fire retardant additives, as described herein.

Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung bezieht sich der Begriff „schwere Brennbarkeit“ und „schwer brennbar“ auf ein schwer entflammbares Material oder eine Zusammensetzung, das eine Gesamtverbrennungswärme (HOC) von weniger als oder gleich 3 MJ/kg aufweist. Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung bezieht sich der Begriff „Nicht-Brennbarkeit“ und „nicht brennbar“ auf ein nicht entflammbares Material oder eine Zusammensetzung, das eine Verbrennungswärme (HOC) von weniger als oder gleich 2 MJ/kg aufweist. Es wird in Betracht gezogen, dass die HOC einer Zusammensetzung bei Einbeziehung eines oder mehrerer Brandschutzzusatzstoffe reduziert wird, wie hierin beschrieben.As used herein, the terms "low flammability" and "low flammability" refer to a low flammability material or composition that has a total heat of combustion (HOC) of less than or equal to 3 MJ/kg. As used herein, the terms "non-combustible" and "non-combustible" refer to a non-flammable material or composition that has a heat of combustion (HOC) of less than or equal to 2 MJ/kg. It is contemplated that the HOC of a composition will be reduced with the inclusion of one or more fire retardant additives as described herein.

Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung bezieht sich der Begriff „hydrophob gebundenes Silicium“ auf ein Siliciumatom im Gerüst eines Gels oder Aerogels, das mindestens eine hydrophobe Gruppe umfasst, die kovalent an das Siliciumatom gebunden ist. Beispiele für hydrophob gebundenes Silicium schließen Siliciumatome in Siliciumdioxidgruppen innerhalb des Gelgerüsts ein, die aus Gelprodukten gebildet werden, die mindestens eine hydrophobe Gruppe (wie MTES oder DMDS) umfassen. Hydrophob gebundenes Silicium kann auch Siliciumatome im Gelgerüst oder auf der Oberfläche des Gels einschließen, die mit einem Hydrophobierungsmittel (wie HMDZ) behandelt werden, um Hydrophobizität zu verleihen oder zu verbessern, indem zusätzliche hydrophobe Gruppen in die Zusammensetzung eingebaut werden. Hydrophobe Gruppen der vorliegenden Offenbarung schließen ein, sind jedoch nicht beschränkt auf Methylgruppen, Ethylgruppen, Propylgruppen, Isopropylgruppen, Butylgruppen, Isobutylgruppen, tert-Butylgruppen, Octylgruppen, Phenylgruppen oder andere substituierte oder unsubstituierte hydrophobe organische Gruppen, die dem Fachmann bekannt sind. Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung schließen die Begriffe „hydrophobe Gruppe“, „hydrophobes organisches Material“ und „hydrophober organischer Gehalt“ leicht hydrolysierbare organische siliciumgebundene Alkoxygruppen im Rahmen des Gelmaterials, die das Produkt von Reaktionen zwischen organischen Lösungsmitteln und Silanolgruppen sind, ausdrücklich aus. Solche ausgeschlossenen Gruppen sind vom hydrophoben organischen Gehalt dieser durch NMR-Analyse unterscheidbar. Die Menge an in einem Aerogel enthaltenem hydrophobem Silicium kann mittels NMR-Spektroskopie, wie CP/MAS 29Si-Festkörper-NMR, analysiert werden. Eine NMR-Analyse eines Aerogels ermöglicht die Charakterisierung und relative Quantifizierung von hydrophob gebundenem Silicium (monofunktionelles Siliciumdioxid, wie TMS-Derivate); hydrophob gebundenem Silicium vom D-Typ (bifunktionelles Siliciumdioxid, wie DMDS-Derivate); hydrophob gebundenem Silicium vom T-Typ (trifunktionelles Siliciumdioxid, wie MTES-Derivate); und Q-Typ-Silicium (quadrafunktionelles Siliciumdioxid wie TEOS-Derivate). Die NMR-Analyse kann auch verwendet werden, um die Bindechemie des in einem Aerogel enthaltenen hydrophoben Siliciums zu analysieren, indem sie eine Kategorisierung spezifischer Arten von hydrophob gebundenem Silicium in Untertypen (wie die Kategorisierung von hydrophob gebundenem Silicium in T1-Spezies, T2-Spezies und T3-Spezies) ermöglicht. Spezifische Details, die sich auf die NMR-Analyse von Siliciumdioxidmaterialien beziehen, finden sich in dem Artikel „ Applications of Solid-State NMR to the Study of Organic/Inorganic Multicomponent Materials“ von Geppi et al., insbesondere Seite 7-9 (Appl. Spec. Rev. (2008), 44-1: 1-89 ), der hiermit durch Bezugnahme gemäß den spezifisch zitierten Seiten aufgenommen wird.As used herein, the term "hydrophobically bound silicon" refers to a silicon atom in the backbone of a gel or airgel that includes at least one hydrophobic group covalently bonded to the silicon atom. Examples of hydrophobically bound silicon include silicon atoms in silica groups within the gel framework formed from gel products comprising at least one hydrophobic group (such as MTES or DMDS). Hydrophobically bound silicon can also include silicon atoms in the gel backbone or on the surface of the gel that are treated with a hydrophobizing agent (such as HMDZ) to impart or improve hydrophobicity by adding additional hydrophobic groups can be incorporated into the composition. Hydrophobic groups of the present disclosure include, but are not limited to, methyl groups, ethyl groups, propyl groups, isopropyl groups, butyl groups, isobutyl groups, tert-butyl groups, octyl groups, phenyl groups, or other substituted or unsubstituted hydrophobic organic groups known to those skilled in the art. As used herein, the terms "hydrophobic group,""hydrophobic organic material," and "hydrophobic organic content" expressly exclude readily hydrolyzable organic silicon-bonded alkoxy groups within the gel material that are the product of reactions between organic solvents and silanol groups. Such excluded groups are distinguishable from their hydrophobic organic content by NMR analysis. The amount of hydrophobic silicon contained in an airgel can be analyzed by NMR spectroscopy such as CP/MAS 29Si solid-state NMR. NMR analysis of an airgel allows characterization and relative quantification of hydrophobically bound silicon (monofunctional silica, such as TMS derivatives); hydrophobically bonded D-type silicon (bifunctional silicon dioxide, such as DMDS derivatives); hydrophobically bonded T-type silicon (trifunctional silicon dioxide, such as MTES derivatives); and Q-type silicon (quadrafunctional silicon dioxide such as TEOS derivatives). NMR analysis can also be used to analyze the binding chemistry of the hydrophobic silicon contained in an airgel by allowing a categorization of specific types of hydrophobically bound silicon into subtypes (like categorizing hydrophobically bound silicon into T1 species, T2 species and T3 species). Specific details related to NMR analysis of silica materials can be found in the article “ Applications of Solid-State NMR to the Study of Organic/Inorganic Multicomponent Materials” by Geppi et al., in particular pages 7-9 (Appl. Spec. Rev. (2008), 44-1: 1-89 ), which is hereby incorporated by reference according to the pages specifically cited.

Die Charakterisierung von hydrophob gebundenem Silicium in einer CP/MAS 29Si-NMR-Analyse kann auf den folgenden chemischen Verschiebungsspitzen basieren: M1 (30 bis 10 ppm); D1 (10 bis -10 ppm), D2 (-10 bis -20 ppm); T1 (-30 bis -40 ppm), T2 (-40 bis -50 ppm), T3 (-50 bis -70 ppm); Q2 (-70 bis -85 ppm), Q3 (-85 bis -95 ppm), Q4 (-95 bis -110 ppm). Diese chemischen Verschiebungsspitzen sind annähernd und beispielhaft und sollen nicht einschränkend oder definitiv sein. Die genauen chemischen Verschiebungsspitzen, die auf die verschiedenen Siliciumspezies innerhalb eines Materials zurückzuführen sind, können von den spezifischen chemischen Komponenten des Materials abhängen und können im Allgemeinen durch Routineexperimente und Analysen vom Fachmann entschlüsselt werden.Characterization of hydrophobically bound silicon in a CP/MAS 29Si NMR analysis can be based on the following chemical shift peaks: M1 (30 to 10 ppm); D1 (10 to -10ppm), D2 (-10 to -20ppm); T1 (-30 to -40ppm), T2 (-40 to -50ppm), T3 (-50 to -70ppm); Q2 (-70 to -85ppm), Q3 (-85 to -95ppm), Q4 (-95 to -110ppm). These chemical shift peaks are approximate and exemplary and are not intended to be limiting or definitive. The precise chemical shift peaks attributable to the various silicon species within a material can depend on the specific chemical components of the material and can generally be deciphered through routine experimentation and analysis by those skilled in the art.

Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung bezieht sich der Begriff „hydrophober organischer Gehalt“ oder „hydrophober Gehalt“ oder „hydrophobischer Gehalt“ auf die Menge des hydrophoben organischen Materials, das an das Gerüst in einem Aerogel-Material oder -Zusammensetzung gebunden ist. Der hydrophobe organische Gehalt eines Aerogel-Materials oder einer Aerogel-Zusammensetzung kann als Gewichtsprozentsatz der Menge des hydrophoben organischen Materials auf dem Aerogel-Gerüst relativ zur Gesamtmenge an Material in dem Aerogel-Material oder der Aerogel-Zusammensetzung ausgedrückt werden. Der hydrophobe organische Gehalt kann von Durchschnittsfachleuten auf der Grundlage der Natur und relativen Konzentrationen von Materialien berechnet werden, die bei der Herstellung des Aerogel-Materials oder der Aerogel-Zusammensetzung verwendet werden. Der hydrophobe organische Gehalt kann auch mit thermogravimetrischer Analyse (TGA) der betreffenden Materialien, vorzugsweise in Sauerstoffatmosphäre, gemessen werden (obwohl TGA unter alternativen Gasumgebungen ebenfalls nützlich ist). Insbesondere kann der Prozentsatz des hydrophoben organischen Materials in einem Aerogel mit dem Prozentsatz des Gewichtsverlusts in einem hydrophoben Aerogel-Material oder einer Aerogel-Zusammensetzung korreliert werden, wenn sie während einer TGA-Analyse Brennwärmetemperaturen ausgesetzt werden, wobei Anpassungen für den Verlust von Feuchtigkeit, Verlust von Restlösungsmittel und dem Verlust von leicht hydrolysierbaren Alkoxygruppen während der TGA-Analyse vorgenommen werden. Andere alternative Techniken wie Differentialscanningkalorimetrie, Elementaranalyse (insbesondere Kohlenstoff), chromatographische Techniken, kernmagnetische Resonanzspektren und andere dem Fachmann bekannte analytische Techniken können verwendet werden, um den hydrophoben Inhalt in den Aerogel-Zusammensetzungen der vorliegenden Offenbarung zu messen und zu bestimmen. In bestimmten Fällen kann eine Kombination der bekannten Techniken nützlich oder notwendig sein, um den hydrophoben Gehalt der Aerogel-Zusammensetzungen der vorliegenden Offenbarung zu bestimmen.As used herein, the term "hydrophobic organic content" or "hydrophobic content" or "hydrophobic content" refers to the amount of hydrophobic organic material bound to the framework in an airgel material or composition. The hydrophobic organic content of an airgel material or airgel composition can be expressed as a weight percentage of the amount of hydrophobic organic material on the airgel backbone relative to the total amount of material in the airgel material or airgel composition. The hydrophobic organic content can be calculated by those of ordinary skill in the art based on the nature and relative concentrations of materials used in the manufacture of the airgel material or composition. Hydrophobic organic content can also be measured using thermogravimetric analysis (TGA) of the materials of interest, preferably in an oxygen atmosphere (although TGA is also useful under alternative gas environments). In particular, the percentage of hydrophobic organic material in an airgel can be correlated to the percentage of weight loss in a hydrophobic airgel material or composition when exposed to burn heat temperatures during a TGA analysis, with adjustments for moisture loss, loss of residual solvent and loss of easily hydrolyzable alkoxy groups during TGA analysis. Other alternative techniques such as differential scanning calorimetry, elemental analysis (particularly carbon), chromatographic techniques, nuclear magnetic resonance spectra, and other analytical techniques known to those skilled in the art may be used to measure and determine the hydrophobic content in the airgel compositions of the present disclosure. In certain instances, a combination of known techniques may be useful or necessary to determine the hydrophobic content of the airgel compositions of the present disclosure.

Aerogel-Materialien oder Zusammensetzungen der vorliegenden Offenbarung können einen hydrophoben organischen Gehalt von 50 Gew.-% oder weniger, 40 Gew.-% oder weniger, 30 Gew.-% oder weniger, 25 Gew.-% oder weniger, 20 Gew.-% oder weniger, 15 Gew.-% oder weniger, 10 Gew.-% oder weniger, 8 Gew.-% oder weniger, 6 Gew.-% oder weniger, 5 Gew.-% oder weniger, 4 Gew.-% oder weniger, 3 Gew.-% oder weniger, 2 Gew.-% oder weniger, 1 Gew.-% oder weniger oder in einem Bereich zwischen zwei dieser Werte aufweisen.Airgel materials or compositions of the present disclosure may have a hydrophobic organic content of 50% or less, 40% or less, 30% or less, 25% or less, 20% or less, by weight. % or less, 15% by weight or less, 10% by weight or less, 8% by weight or less, 6% by weight or less, 5% by weight or less, 4% by weight or less, 3% by weight or less, 2% by weight or less, 1% by weight or less or in a range between two of these values.

Der Begriff „Kraftstoffgehalt“ bezieht sich auf die Gesamtmenge an brennbarem Material in einem Aerogel-Material oder einer Aerogel-Zusammensetzung, die mit dem Gesamtprozentsatz des Gewichtsverlusts in einem Aerogel-Material oder einer Aerogel-Zusammensetzung korreliert werden kann, wenn sie Brennwärmetemperaturen während einer TGA oder TG-DSC Analyse ausgesetzt werden, wobei Anpassungen für den Verlust von Feuchtigkeit vorgenommen werden. Der Kraftstoffgehalt eines Aerogel-Materials oder einer Aerogel-Zusammensetzung kann einen hydrophoben organischen Gehalt sowie andere brennbare restliche alkoholische Lösungsmittel, Füllmaterialien, Verstärkungsmaterialien und leicht hydrolysierbare Alkoxygruppen einschließen.The term "fuel content" refers to the total amount of combustible material in an airgel material or airgel composition that can be correlated to the overall percentage of weight loss in an airgel material or airgel composition when exposed to heat of combustion temperatures during a TGA or subjected to TG-DSC analysis, adjusting for loss of moisture. The fuel content of an airgel material or composition can include hydrophobic organic content as well as other combustible residual alcoholic solvents, filler materials, reinforcing materials, and readily hydrolyzable alkoxy groups.

Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung umfasst der Begriff „Ormosil“ die vorstehenden Materialien sowie andere organisch modifizierte Materialien, manchmal als „Ormocere“ bezeichnet Ormosile werden häufig als Beschichtungen verwendet, bei denen ein Ormosil-Film beispielsweise durch den Sol-Gel-Prozess über ein Substratmaterial gegossen wird. Beispiele für andere organisch-anorganische Hybrid-Aerogele der Offenbarung schließen ein, sind jedoch nicht beschränkt auf Siliciumdioxidpolyether, Siliciumdioxid-PMMA, Siliciumdioxidchitosan, Carbide, Nitride und andere Kombinationen der vorstehend genannten organischen und anorganischen Aerogel bildenden Verbindungen. Die veröffentlichte US-Pat.- Anm. 20050192367 (Absatz [0022]-[0038] und [0044]-[0058]) schließt Lehren solcher hybrider organisch-anorganischer Materialien ein und wird hiermit durch Bezugnahme gemäß den einzeln zitierten Abschnitten und Absätzen aufgenommen. For the purposes of this disclosure, the term "Ormosil" includes the above materials as well as other organically modified materials, sometimes referred to as "Ormocers". Ormosils are commonly used as coatings in which an Ormosil film is applied over a substrate material, for example by the sol-gel process is poured. Examples of other hybrid organic-inorganic aerogels of the disclosure include, but are not limited to, silica polyethers, silica-PMMA, silica chitosan, carbides, nitrides, and other combinations of the above organic and inorganic airgel-forming compounds. Published US Pat. Appl. 20050192367 (paragraphs [0022]-[0038] and [0044]-[0058]) includes teachings of such hybrid organic-inorganic materials and is hereby incorporated by reference according to the individually cited sections and paragraphs .

Barriere für BatteriezellenBarrier for battery cells

Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf eine Barriere und Systeme, welche die Barriere einschließen, um Probleme im Zusammenhang mit thermischem Durchgehen in Energiespeicherungssystemen zu bewältigen. Ausführungsbeispiele schließen eine Barriere ein, die mindestens eine Isolierschicht und mindestens eine komprimierbare Schicht umfasst, die mit der mindestens einen Isolierschicht gekoppelt ist. Die komprimierbare Schicht umfasst ein Paar starrer Platten und eines oder mehrere Federelemente, die zwischen den starren Platten angeordnet sind. Die vorliegende Offenbarung bezieht sich ferner auf ein Batteriemodul oder -pack mit einer oder mehreren Batteriezellen und der Barriere, die in thermischer Verbindung mit den Batteriemodulen bzw. Batteriezellen angeordnet ist. Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung bezieht sich der Begriff „Batterieelemente“ auf Batteriezellen oder Batteriemodule.The present disclosure relates to a barrier and systems including the barrier to address thermal runaway issues in energy storage systems. Embodiments include a barrier comprising at least one insulating layer and at least one compressible layer coupled to the at least one insulating layer. The compressible layer includes a pair of rigid panels and one or more spring elements disposed between the rigid panels. The present disclosure further relates to a battery module or pack having one or more battery cells and the barrier arranged in thermal communication with the battery modules or battery cells. In the context of the present disclosure, the term "battery elements" refers to battery cells or battery modules.

Eine oder mehrere Isolierschichten der hierin offenbarten Barriere können Aerogel-Zusammensetzungen oder verstärkte Aerogel-Zusammensetzungen einschließen. Aerogel-Materialien besitzen bekanntermaßen etwa das Zwei- bis Sechsfache der thermischen Beständigkeit anderer gebräuchlicher Isolierungen, z. B. Schaumstoffe, Glasfaser usw. Aerogele können eine wirksame Abschirmung und Wärmeisolierung erhöhen, ohne die Dicke der Isolierung wesentlich zu erhöhen oder zusätzliches Gewicht hinzuzufügen. Aerogele sind bekanntermaßen eine Klasse von Strukturen mit niedriger Dichte, offener Zellstrukturen, großer Oberflächenbereiche und Porengrößen im Nanometerbereich.One or more insulating layers of the barrier disclosed herein may include airgel compositions or reinforced airgel compositions. Airgel materials are known to have about two to six times the thermal resistance of other common insulations, e.g. B. Foams, fiberglass, etc. Aerogels can increase effective shielding and thermal insulation without significantly increasing the thickness of the insulation or adding additional weight. Aerogels are known to be a class of structures with low density, open cell structures, large surface areas, and pore sizes in the nanometer range.

Barrieren mit Aerogel-Zusammensetzungen gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung stellen vorteilhafte Eigenschaften im Hinblick auf Komprimierbarkeit, Kompressionselastizität und Konformität bereit. Wenn die komprimierbare Schicht der Barriere als thermische Barriere zwischen Zellen innerhalb eines Batteriemoduls verwendet wird, kann die komprimierbare Schicht der Barriere Beständigkeit gegen Kompressionsverformung bereitstellen, um der Expansion von Zellen aufgrund der Verschlechterung und Schwellung aktiver Materialien während der Lade-/Entladezyklen für die Batterie Rechnung zu tragen.Barriers having airgel compositions according to embodiments of the present disclosure provide advantageous compressibility, compression resiliency, and conformance properties. When the barrier compressible layer is used as a thermal barrier between cells within a battery module, the barrier compressible layer can provide resistance to compression deformation to accommodate the expansion of cells due to degradation and swelling of active materials during charge/discharge cycles for the battery to wear.

Die vorliegende Offenbarung stellt auch ein Batteriemodul oder Batteriepack bereit, das mindestens eine Batteriezelle und eine Barriere gemäß hierin offenbarten Ausführungsformen aufweist, die auf der Batteriezelle oder auf dem Batteriemodul, z. B. auf einer Oberfläche der mindestens einen Batteriezelle oder auf einer Oberfläche des Batteriemoduls, angeordnet sind. Zum Beispiel weist das Batteriemodul oder das Batteriepack eine Innenoberfläche und Außenoberfläche auf. In bestimmten Ausführungsformen befindet sich die Barriere auf der Innenoberfläche des Batteriemoduls oder Batteriepacks. In bestimmten Ausführungsformen befindet sich die Barriere auf einer Außenoberfläche des Batteriemoduls oder Batteriepacks. 6 veranschaulicht schematisch eine Batteriezelle, ein Batteriemodul und ein Batteriepack.The present disclosure also provides a battery module or battery pack, comprising at least one battery cell and a barrier according to embodiments disclosed herein, mounted on the battery cell or on the battery module, e.g. B. are arranged on a surface of the at least one battery cell or on a surface of the battery module. For example, the battery module or battery pack has an inner surface and an outer surface. In certain embodiments, the barrier is on the interior surface of the battery module or battery pack. In certain embodiments, the barrier is on an exterior surface of the battery module or battery pack. 6 schematically illustrates a battery cell, a battery module, and a battery pack.

7 veranschaulicht eine schematische Darstellung einer Barriere 400 gemäß hierin offenbarten Ausführungsformen. In einer Ausführungsform schließt eine Barriere 400 mindestens eine Isolierschicht 410 und mindestens eine komprimierbare Schicht 420 ein, die mit der mindestens einen Isolierschicht gekoppelt ist. In einer Ausführungsform schließt die komprimierbare Schicht mindestens ein Paar starrer Platten 422 und ein oder mehrere Federelemente 425 ein, die zwischen den starren Platten angeordnet sind. Die komprimierbare Schicht kann mit der Isolierschicht gekoppelt sein, um die Barriereschicht zu bilden. In einer Ausführungsform wird die komprimierbare Schicht in Kontakt mit der Isolierschicht platziert, um die Barriereschicht zu bilden. Die Isolierschicht kann durch einen Klebstoffmechanismus an der komprimierbaren Schicht befestigt sein. Beispielhafte Klebstoffe schließen ein, sind aber nicht beschränkt auf: einen Aerosol-Klebstoff, einen Klebstoff auf Urethanbasis, einen Acrylatkleber, einen Schmelzklebstoff, ein Epoxid, einen Gummiharzklebstoff; einen Polyurethan-Verbundklebstoff und Kombinationen davon. In einigen Ausführungsformen kann die Isolierschicht durch einen Nicht-Klebstoffmechanismus an der komprimierbaren Schicht befestigt sein, z. B. einen Mechanismus, der ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: Flammenbindung, Vernadeln, Nähen, Dichtungsbeuteln, Nieten, Knöpfen, Klemmen, Umhüllungen, Klammern und Kombinationen davon. In einigen Ausführungsformen kann eine Kombination aus einem der vorstehend genannten Klebstoff und Nicht-Klebstoffmechanismen verwendet werden, um Schichten miteinander zu verbinden. Die Barriereschicht ist in einer Ausführungsform zwischen zwei benachbarten Batteriezellen oder Batteriemodulen (hierin zusammen als „Batterieelemente“ bezeichnet) 430 angeordnet, um die Wärmeübertragung zwischen den Batterieelementen abzuschwächen und die Batterieelemente vor thermischen Durchgehereignissen zu schützen. 7 FIG. 4 illustrates a schematic representation of a barrier 400 according to embodiments disclosed herein. In one embodiment, a barrier 400 includes at least one insulating layer 410 and at least one compressible layer 420 coupled to the at least one insulating layer. In one embodiment, the compressible layer includes at least a pair of rigid plates 422 and one or more spring elements 425 positioned between the rigid plates are arranged. The compressible layer can be coupled to the insulating layer to form the barrier layer. In one embodiment, the compressible layer is placed in contact with the insulating layer to form the barrier layer. The insulating layer may be attached to the compressible layer by an adhesive mechanism. Exemplary adhesives include, but are not limited to: an aerosol adhesive, a urethane-based adhesive, an acrylate adhesive, a hot-melt adhesive, an epoxy, a rubber-resin adhesive; a polyurethane composite adhesive and combinations thereof. In some embodiments, the insulating layer may be attached to the compressible layer by a non-adhesive mechanism, e.g. B. a mechanism selected from the group consisting of: flame bonding, needling, sewing, sealing bags, rivets, buttons, clips, wraps, clips, and combinations thereof. In some embodiments, a combination of any of the above adhesive and non-adhesive mechanisms may be used to bond layers together. The barrier layer, in one embodiment, is disposed between two adjacent battery cells or battery modules (collectively referred to herein as “battery elements”) 430 to mitigate heat transfer between the battery elements and protect the battery elements from thermal runaway events.

In der Ausführungsform, die in 7 dargestellt ist, schließt die Barriere 400 eine einzelne komprimierbare Schicht 420 ein, die mit einer einzigen Isolierschicht 410 gekoppelt ist. In anderen Ausführungsformen können mehrere komprimierbare Schichten und mehrere Isolierschichten miteinander gekoppelt sein, um eine Barriere zu bilden. Zum Beispiel zeigt 8 eine Ausführungsform der Barriere 500, die eine Isolierschicht 510 einschließt, die zwischen zwei komprimierbaren Schichten 520a, 520b positioniert ist. Jede der komprimierbaren Schichten schließt mindestens ein Paar starrer Platten 522 und eines oder mehrere Federelemente 525 ein, die zwischen den starren Platten angeordnet sind. Die komprimierbaren Schichten können in Kontakt mit der Isolierschicht platziert werden, um die Barriereschicht zu bilden. Die Isolierschicht kann unter Verwendung eines Klebstoffs oder von Befestigungselementen (z. B. Schrauben, Nieten usw.) mit den komprimierbaren Schichten verbunden sein. Die Barriere ist zwischen zwei benachbarten Batterieelementen 530.In the embodiment shown in 7 As shown, the barrier 400 includes a single compressible layer 420 coupled to a single insulating layer 410 . In other embodiments, multiple compressible layers and multiple insulating layers may be coupled together to form a barrier. For example shows 8th an embodiment of barrier 500 including an insulating layer 510 positioned between two compressible layers 520a, 520b. Each of the compressible layers includes at least a pair of rigid plates 522 and one or more spring elements 525 disposed between the rigid plates. The compressible layers can be placed in contact with the insulating layer to form the barrier layer. The insulating layer may be connected to the compressible layers using an adhesive or fasteners (e.g., screws, rivets, etc.). The barrier is between two adjacent battery elements 530.

Isolierschichteninsulating layers

Isolierschichten der hierin beschriebenen Barriere sind dafür zuständig, den Wärmefluss von wärmeerzeugenden Teilen in kleinen Räumen zuverlässig zu steuern und die Sicherheit und Vorbeugung von Brandausbreitung für solche Produkte in den Bereichen elektronischer, industrieller und automobiler Technologien bereitzustellen. Isolierschichten mit überlegenen Eigenschaften im Hinblick auf die Kompression können beim Angehen dieser Bedürfnisse nützlich sein. In vielen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung fungiert die Isolierschicht, entweder allein oder in Kombination mit der komprimierbaren Schicht, auch als Flammen-/Brand-Deflektorschicht. Zum Beispiel kann die Isolierschicht in Kombination mit den starren Platten der komprimierbaren Schicht Schutz für benachbarte Batteriezellen oder Batteriemodule vor Flammen und/oder heißen Gasen sowie Flammen/heißen Gasen mit mitgeführten teilchenförmigen Materialien, wie den Materialien, die während eines thermischen Durchgehens aus einer Batteriezelle ausgestoßen werden können, bereitstellen. In einer anderen Ausführungsform kann die Isolierschicht selbst gegenüber Flammen und/oder heißen Gasen sowie Flammen/heißen Gasen mit mitgeführten teilchenförmigen Materialien beständig sein. Eine Isolierschicht wie Glimmer, mikroporöses Siliciumdioxid oder ein Aerogel, kann mit einer flammbeständigen Schicht kombiniert werden, die als Flammen-Brand-Deflektorschicht fungieren kann. Isolierschichten einschließlich Aerogelen, wie sie in den Ausführungsformen hierin offenbart sind, sind haltbar und leicht zu handhaben, weisen eine vorteilhafte Beständigkeit gegenüber Wärmeausbreitung und Brandausbreitung auf und minimieren gleichzeitig die Dicke und das Gewicht der verwendeten Materialien und weisen auch gute Eigenschaften im Hinblick auf Komprimierbarkeit, Kompressionselastizität und Konformität auf.Insulating layers of the barrier described herein are responsible for reliably controlling the flow of heat from heat-generating parts in small spaces and providing the safety and prevention of fire spread for such products in the fields of electronic, industrial and automotive technologies. Insulating layers with superior compression properties can be useful in addressing these needs. In many embodiments of the present disclosure, the insulating layer, either alone or in combination with the compressible layer, also functions as a flame/fire deflector layer. For example, the insulating layer, in combination with the rigid plates of the compressible layer, can provide protection for adjacent battery cells or battery modules from flames and/or hot gases, as well as flames/hot gases with entrained particulate materials, such as the materials ejected from a battery cell during a thermal runaway can be, provide. In another embodiment, the insulating layer may itself be resistant to flame and/or hot gases, as well as flame/hot gases with entrained particulate materials. An insulating layer, such as mica, microporous silica, or an aerogel, can be combined with a flame resistant layer that can function as a flame fire deflector layer. Insulating layers including aerogels as disclosed in the embodiments herein are durable and easy to handle, have advantageous resistance to heat and fire spread while minimizing the thickness and weight of the materials used, and also have good compressibility properties, compression elasticity and compliance.

Aerogele sind eine Klasse von porösen Materialien mit offenen Zellen, die ein Gerüst miteinander verbundener Strukturen aufweisen, mit einem entsprechenden Netz von Poren, die im Gerüst integriert sind, und einer interstitiellen Phase innerhalb des Netzwerks von Poren, die hauptsächlich aus Gasen wie Luft besteht. Aerogele zeichnen sich üblicherweise durch eine geringe Dichte, eine hohe Porosität, eine große Oberfläche und kleine Porengrößen aus. Aerogele können durch ihre physikalischen und strukturellen Eigenschaften von anderen porösen Materialien unterschieden werden.Aerogels are a class of open-cell, porous materials that have a framework of interconnected structures, with a corresponding network of pores integrated into the framework, and an interstitial phase within the network of pores that consists primarily of gases such as air. Aerogels are usually characterized by low density, high porosity, a large surface area and small pore sizes. Aerogels can be distinguished from other porous materials by their physical and structural properties.

Dementsprechend umfasst in einigen Ausführungsformen die Isolierschicht der Barriere der vorliegenden Offenbarung ein Aerogel. In einigen Ausführungsformen kann die Isolierschicht ferner ein Material einschließen, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Glimmer, mikroporösem Siliciumdioxid, Keramikfaser, Mineralwolle und Kombinationen davon. In einigen Fällen weist die Isolierschicht kein Aerogel auf. In einigen Ausführungsformen kann die Isolierschicht ein Material einschließen, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Glimmer, mikroporösem Siliciumdioxid, Keramikfaser, Mineralwolle und Kombinationen davon.Accordingly, in some embodiments, the barrier insulating layer of the present disclosure comprises an aerogel. In some embodiments, the insulating layer may further include a material selected from the group consisting of mica, microporous silica, ceramic fiber, mineral wool, and combinations thereof. In some cases, the insulating layer does not include airgel. In some embodiments, the insulating layer can be a material selected from the group consisting of mica, microporous silica, ceramic fiber, mineral wool, and combinations thereof.

In bestimmten Ausführungsformen weist die Isolierschicht der vorliegenden Offenbarung eine Wärmeleitfähigkeit durch eine Dickenabmessung der Isolierschicht von etwa 50 mW/mK oder weniger, etwa 40 mW/mK oder weniger, etwa 30 mW/mK oder weniger, etwa 25 mW/mK oder weniger, etwa 20 mW/mK oder weniger, etwa 18 mW/mK oder weniger, etwa 16 mW/mK oder weniger, etwa 14 mW/mK oder weniger, etwa 12 mW/mK oder weniger, etwa 10 mW/mK oder weniger, etwa 5 mW/mK oder weniger oder in einem Bereich zwischen zwei dieser Werte bei 25 °C auf. In bestimmten Ausführungsformen weist die Isolierschicht der vorliegenden Offenbarung eine Wärmeleitfähigkeit durch eine Dickenabmessung der Isolierschicht von etwa 60 mW/mK oder weniger, etwa 50 mW/mK oder weniger, etwa 40 mW/mK oder weniger, etwa 30 mW/mK oder weniger, etwa 25 mW/mK oder weniger, etwa 20 mW/mK oder weniger, etwa 18 mW/mK oder weniger, etwa 16 mW/mK oder weniger, etwa 14 mW/mK oder weniger, etwa 12 mW/mK oder weniger, etwa 10 mW/mK oder weniger, etwa 5 mW/mK oder weniger oder in einem Bereich zwischen zwei dieser Werte bei 600 °C auf.In certain embodiments, the insulating layer of the present disclosure has a thermal conductivity through a thickness dimension of the insulating layer of about 50 mW/mK or less, about 40 mW/mK or less, about 30 mW/mK or less, about 25 mW/mK or less, about 20 mW/mK or less, about 18 mW/mK or less, about 16 mW/mK or less, about 14 mW/mK or less, about 12 mW/mK or less, about 10 mW/mK or less, about 5 mW /mK or less or in a range between two of these values at 25 °C. In certain embodiments, the insulating layer of the present disclosure has a thermal conductivity through a thickness dimension of the insulating layer of about 60 mW/mK or less, about 50 mW/mK or less, about 40 mW/mK or less, about 30 mW/mK or less, about 25 mW/mK or less, about 20 mW/mK or less, about 18 mW/mK or less, about 16 mW/mK or less, about 14 mW/mK or less, about 12 mW/mK or less, about 10 mW /mK or less, about 5 mW/mK or less or in a range between two of these values at 600°C.

Die Isolierschicht der vorliegenden Offenbarung, z. B. eine Isolierschicht, die ein Aerogel einschließt, kann unter einer Last von bis zu etwa 5 MPa unerhebliche Mengen an Wärmeleitfähigkeit (üblicherweise in mW/m-k gemessen) halten oder erhöhen. In bestimmten Ausführungsformen weist die Isolierschicht der vorliegenden Offenbarung unter einer Last von bis zu etwa 5 MPa eine Wärmeleitfähigkeit durch eine Dickenabmessung der Isolierschicht von etwa 50 mW/mK oder weniger, etwa 40 mW/mK oder weniger, etwa 30 mW/mK oder weniger, etwa 25 mW/mK oder weniger, etwa 20 mW/mK oder weniger, etwa 18 mW/mK oder weniger, etwa 16 mW/mK oder weniger, etwa 14 mW/mK oder weniger, etwa 12 mW/mK oder weniger, etwa 10 mW/mK oder weniger, etwa 5 mW/mK oder weniger oder in einem Bereich zwischen zwei dieser Werte bei 25 °C auf. Die Dicke der Aerogel-Isolierschicht kann aufgrund der Last, die der Aerogel-Isolierschicht ausgesetzt ist, reduziert werden. Zum Beispiel kann die Dicke der Aerogel-Isolierschicht um 50 % oder weniger, 40 % oder weniger, 30 % oder weniger, 25 % oder weniger, 20 % oder weniger, 15 % oder weniger, 10 % oder weniger, 5 % oder weniger oder in einem Bereich zwischen zwei dieser Werte unter einer Last im Bereich von etwa 0,50 MPa bis 5 MPa reduziert sein. Obwohl die thermische Beständigkeit der Isolierschicht einschließlich eines Aerogels reduziert werden kann, da die Dicke reduziert wird, kann die Wärmeleitfähigkeit um unerhebliche Mengen beibehalten oder erhöht werden.The insulating layer of the present disclosure, e.g. B. an insulating layer encapsulating an airgel can maintain or increase negligible amounts of thermal conductivity (usually measured in mW/m-k) under a load of up to about 5 MPa. In certain embodiments, the insulating layer of the present disclosure exhibits a thermal conductivity through a thickness dimension of the insulating layer of about 50 mW/mK or less, about 40 mW/mK or less, about 30 mW/mK or less, under a load of up to about 5 MPa. about 25 mW/mK or less, about 20 mW/mK or less, about 18 mW/mK or less, about 16 mW/mK or less, about 14 mW/mK or less, about 12 mW/mK or less, about 10 mW/mK or less, about 5 mW/mK or less, or somewhere in between two of these values at 25°C. The thickness of the airgel insulation layer can be reduced due to the load that the airgel insulation layer is subjected to. For example, the thickness of the airgel insulation layer can be increased by 50% or less, 40% or less, 30% or less, 25% or less, 20% or less, 15% or less, 10% or less, 5% or less or be reduced to a range between two of these values under a load ranging from about 0.50 MPa to 5 MPa. Although the thermal durability of the insulating layer including an airgel may be reduced as the thickness is reduced, the thermal conductivity may be maintained or increased by insignificant amounts.

In bestimmten Ausführungsformen kann die Isolierschicht der vorliegenden Offenbarung eine Verbrennungswärme von etwa 750 cal/g oder weniger, etwa 717 cal/g oder weniger, etwa 700 cal/g oder weniger, etwa 650 cal/g oder weniger, etwa 600 cal/g oder weniger, etwa 575 cal/g oder weniger, etwa 550 cal/g oder weniger, etwa 500 cal/g oder weniger, etwa 450 cal/g oder weniger, etwa 400 cal/g oder weniger, etwa 350 cal/g oder weniger, etwa 300 cal/g oder weniger, etwa 250 cal/g oder weniger, etwa 200 cal/g oder weniger, etwa 150 cal/g oder weniger, etwa 100 cal/g oder weniger, etwa 50 cal/g oder weniger, etwa 25 cal/g oder weniger, etwa 10 cal/g oder weniger oder in einem Bereich zwischen zwei dieser Werte aufweisen. Eine Isolierschicht, die eine verbesserte Verbrennungswärme relativ zu einer anderen Isolierschicht aufweist, weist relativ zur Referenzisolierschicht einen niedrigeren Verbrennungswärmewert auf. In bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung wird die Verbrennungswärme einer Isolierschicht verbessert, indem ein Brandschutzzusatzstoff in die Isolierschicht eingebaut wird.In certain embodiments, the insulating layer of the present disclosure can have a heat of combustion of about 750 cal/g or less, about 717 cal/g or less, about 700 cal/g or less, about 650 cal/g or less, about 600 cal/g or less, about 575 cal/g or less, about 550 cal/g or less, about 500 cal/g or less, about 450 cal/g or less, about 400 cal/g or less, about 350 cal/g or less, about 300 cal/g or less, about 250 cal/g or less, about 200 cal/g or less, about 150 cal/g or less, about 100 cal/g or less, about 50 cal/g or less, about 25 cal/g or less, about 10 cal/g or less or in a range between two of these values. An insulating layer that has an improved heat of combustion relative to another insulating layer has a lower heat of combustion value relative to the reference insulating layer. In certain embodiments of the present disclosure, the heat of combustion of an insulating layer is improved by incorporating a fire retardant additive into the insulating layer.

In bestimmten Ausführungsformen weisen Isolierschichten der vorliegenden Offenbarung einen Anfang der thermischen Zersetzung bei etwa 300 °C oder mehr, etwa 320 °C oder mehr, etwa 340 °C oder mehr, etwa 360 °C oder mehr, etwa 380 °C oder mehr, etwa 400 °C oder mehr, etwa 420 °C oder mehr, etwa 440 °C oder mehr, etwa 460 °C oder mehr, etwa 480 °C oder mehr, etwa 500 °C oder mehr, etwa 515 °C oder mehr, etwa 550 °C oder mehr, etwa 600 °C oder mehr oder in einem Bereich zwischen zwei dieser Werte auf. Innerhalb des vorliegenden Rahmens würde zum Beispiel eine erste Zusammensetzung mit einem Einsetzen der thermischen Zersetzung, die höher als ein Anfang der thermischen Zersetzung einer zweiten Zusammensetzung ist, als eine Verbesserung der ersten Zusammensetzung gegenüber der zweiten Zusammensetzung betrachtet werden. Es wird hierin in Betracht gezogen, dass ein Einsetzen der thermischen Zersetzung einer Zusammensetzung oder eines Materials bei Zugabe eines oder mehrerer Brandschutzzusatzstoffe im Vergleich zu einer Zusammensetzung, die keine Brandschutzzusatzstoffe einschließt, erhöht wird.In certain embodiments, insulating layers of the present disclosure exhibit an onset of thermal decomposition at about 300°C or greater, about 320°C or greater, about 340°C or greater, about 360°C or greater, about 380°C or greater, about 400°C or greater, about 420°C or greater, about 440°C or greater, about 460°C or greater, about 480°C or greater, about 500°C or greater, about 515°C or greater, about 550 °C or more, about 600 °C or more or in a range between two of these values. For example, within the present framework, a first composition having an onset of thermal decomposition that is higher than an onset of thermal decomposition of a second composition would be considered an improvement of the first composition over the second composition. It is contemplated herein that an onset of thermal degradation of a composition or material is increased upon addition of one or more fire retardant additives compared to a composition that does not include fire retardant additives.

Der Begriff „Biegemodul“ oder „Biege-Elastizitätsmodul“ ist ein Maß für eine Materialsteifigkeit/-beständigkeit gegenüber Biegen, wenn eine Kraft senkrecht zur langen Kante einer Probe angelegt wird, was als Dreipunkt-Biegeprüfung bekannt ist. Der Biegemodul bezeichnet die Fähigkeit eines Materials, sich zu biegen. Der Biegemodul wird durch die Steigung des anfänglichen geraden Linienabschnitts der Spannungs-DehnungsKurve dargestellt und wird berechnet, indem die Änderung der Spannung durch die entsprechende Änderung der Dehnung dividiert wird. Somit ist das Verhältnis von Spannung zu Dehnung ein Maß für den Biegemodul. Die International Standardeinheit des Biegemoduls ist Pascal (Pa oder N/m2 oder m-1.kg.s-2). Die verwendeten praktischen Einheiten sind Megapascal (MPa oder N/mm2) oder Gigapascal (GPa oder kN/mm2). In den üblichen US-Maßeinheiten wird er in Pfund (Kraft) pro Quadratzoll (psi) ausgedrückt. In bestimmten Ausführungsformen weisen Isolierschichten der vorliegenden Offenbarung einen Biegemodul von etwa 8 MPa oder weniger, etwa 7 MPa oder weniger, etwa 6 MPa oder weniger, etwa 5 MPa oder weniger, etwa 4 MPa oder weniger, etwa 3 MPa oder weniger auf. Vorzugsweise weist die Isolierschicht der vorliegenden Offenbarung z. B. Aerogel einen Biegemodul von etwa 2 MPa bis etwa 8 MPa auf.The term "flexural modulus" or "flexural modulus of elasticity" is a measure of a material's stiffness/resistance to bending when a force is applied perpendicular to the long edge of a specimen, known as a three-point bend test. The flexural modulus describes the ability of a material to bend. The flexural modulus is given by the slope of the initial straight lines section of the stress-strain curve and is calculated by dividing the change in stress by the corresponding change in strain. Thus, the stress to strain ratio is a measure of the flexural modulus. The International Standard Unit of Flexural Modulus is Pascal (Pa or N/m2 or m-1.kg.s-2). The practical units used are megapascals (MPa or N/mm2) or gigapascals (GPa or kN/mm2). In standard US units, it is expressed in pounds (force) per square inch (psi). In certain embodiments, insulating layers of the present disclosure have a flexural modulus of about 8 MPa or less, about 7 MPa or less, about 6 MPa or less, about 5 MPa or less, about 4 MPa or less, about 3 MPa or less. Preferably, the insulating layer of the present disclosure has e.g. B. airgel has a flexural modulus of about 2 MPa to about 8 MPa.

In bestimmten Ausführungsformen beträgt der Kompressionsmodul der Isolierschicht (z. B. eine Schicht einschließlich Aerogel) etwa 1 MPa, etwa 2 MPa, etwa 3 MPa, etwa 4 MPa, etwa 5 MPa, etwa 6 MPa, etwa 7 MPa, etwa 8 MPa, etwa 9 MPa, etwa 10 MPa, etwa 11 MPa, etwa 12 MPa oder in einem Bereich zwischen zwei dieser Werte.In certain embodiments, the bulk modulus of the insulating layer (e.g., a layer including airgel) is about 1 MPa, about 2 MPa, about 3 MPa, about 4 MPa, about 5 MPa, about 6 MPa, about 7 MPa, about 8 MPa, about 9 MPa, about 10 MPa, about 11 MPa, about 12 MPa or in a range between two of these values.

Aerogeleaerogels

In einer Ausführungsform kann die Isolierschicht aus einem Aerogel gebildet sein. Das Aerogel kann organisch, anorganisch oder eine Mischung davon sein. In einigen Ausführungsformen umfasst das Aerogel ein Aerogel auf Siliciumdioxidbasis. Die Isolierschicht der Barriere kann ein Aerogel sein, das ferner ein Verstärkungsmaterial umfasst. Das Verstärkungsmaterial kann ein beliebiges Material sein, das dem Aerogel-Material Elastizität, Konformität oder strukturelle Stabilität bereitstellt. Beispiele für bekannte Verstärkungsmaterialien schließen, ohne darauf beschränkt zu sein, offenzellige makroporöse Gerüstverstärkungsmaterialien, geschlossenzellige makroporöse Gerüstverstärkungsmaterialien, offenzellige Membranen, Wabenverstärkungsmaterialien, polymere Verstärkungsmaterialien und Faserverstärkungsmaterialien wie diskrete Fasern, Gewebematerialien, Vliesmaterialien, Nadelvliesstoffe, Wattierungen, Bahnen, Matten und Filze ein.In one embodiment, the insulating layer can be formed from an aerogel. The airgel can be organic, inorganic, or a mixture thereof. In some embodiments, the airgel comprises a silica-based airgel. The insulating layer of the barrier may be an airgel further comprising a reinforcing material. The reinforcement material can be any material that provides resiliency, conformity, or structural stability to the airgel material. Examples of known reinforcement materials include, but are not limited to, open-cell macroporous scaffold reinforcement materials, closed-cell macroporous scaffold reinforcement materials, open-cell membranes, honeycomb reinforcement materials, polymeric reinforcement materials, and fibrous reinforcement materials such as discrete fibers, woven materials, nonwoven materials, needled nonwovens, battings, webs, mats, and felts.

Das Verstärkungsmaterial kann aus organischen polymerbasierten Fasern, anorganischen Fasern, kohlenstoffbasierten Fasern oder einer Kombination davon ausgewählt sein. Die anorganischen Fasern sind ausgewählt aus Glasfasern, Gesteinsfasern, Metallfasern, Borfasern, Keramikfasern, Basaltfasern oder einer Kombination davon.The reinforcement material can be selected from organic polymer-based fibers, inorganic fibers, carbon-based fibers, or a combination thereof. The inorganic fibers are selected from glass fibers, rock fibers, metal fibers, boron fibers, ceramic fibers, basalt fibers, or a combination thereof.

In einigen Ausführungsformen kann das Verstärkungsmaterial eine Verstärkung einschließen, die eine Vielzahl von Materialschichten einschließt. Zum Beispiel kann die Vielzahl von Materialschichten miteinander verbunden sein. In Ausführungsbeispielen kann mindestens eine der Vielzahl von Schichten ein erstes Material einschließen und mindestens eine andere Schicht der Vielzahl von Schichten kann ein zweites Material einschließen. Das erste Material und das zweite Material können die gleichen oder unterschiedliche Materialeigenschaften aufweisen. Zum Beispiel kann das erste Material komprimierbarer als das zweite Material sein. Für ein anderes Beispiel kann das erste Material geschlossene Zellen einschließen und das zweite Material kann offene Zellen einschließen.In some embodiments, the reinforcement material may include a reinforcement that includes a plurality of layers of material. For example, the plurality of layers of material may be bonded together. In example embodiments, at least one of the plurality of layers can include a first material and at least another layer of the plurality of layers can include a second material. The first material and the second material can have the same or different material properties. For example, the first material can be more compressible than the second material. For another example, the first material can enclose closed cells and the second material can enclose open cells.

Aerogele werden als Gerüst miteinander verbundener Strukturen beschrieben, die am häufigsten aus miteinander verbundenen Oligomeren, Polymeren oder kolloidalen Teilchen bestehen. Ein Aerogel-Gerüst kann aus einer Reihe von Vorläufermaterialien hergestellt sein, einschließlich anorganischer Vorläufermaterialien (wie Vorläufer, die bei der Herstellung von siliciumdioxidbasierten Aerogelen verwendet werden); organischer Vorläufermaterialien (solche Vorläufer, die bei der Herstellung von kohlenstoffbasierten Aerogelen verwendet werden); hybrider anorganischer/organischer Vorläufermaterialien; und Kombinationen davon. Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung bezieht sich der Begriff „Amalgam-Aerogel“ auf ein Aerogel, das aus einer Kombination von zwei oder mehr unterschiedlichen Gelvorläufern hergestellt ist; die entsprechenden Vorläufer werden als „Amalgam-Vorläufer“ bezeichnet.Aerogels are described as a scaffold of interconnected structures, most commonly composed of interconnected oligomers, polymers, or colloidal particles. An airgel framework can be made from a variety of precursor materials, including inorganic precursor materials (such as precursors used in the manufacture of silica-based aerogels); organic precursor materials (those precursors used in the manufacture of carbon-based aerogels); hybrid inorganic/organic precursor materials; and combinations thereof. As used herein, the term "amalgam airgel" refers to an airgel made from a combination of two or more different gel precursors; the corresponding precursors are referred to as "amalgam precursors".

Anorganische AerogeleInorganic Aerogels

Anorganische Aerogele werden im Allgemeinen aus Metalloxid- oder Metallalkoxid-Materialien gebildet. Die Metalloxid- oder Metallalkoxid-Materialien können auf Oxiden oder Alkoxiden eines Metalls basieren, das Oxide bilden kann. Solche Metalle schließen Silicium, Aluminium, Titan, Zirconium, Hafnium, Yttrium, Vanadium, Cer und dergleichen ein, sind aber nicht darauf beschränkt. Anorganische Siliciumdioxid-Aerogele werden herkömmlicherweise über die Hydrolyse und Kondensation von siliciumdioxidbasierten Alkoxiden (wie Tetraethoxylsilan) oder durch Gelierung von Kieselsäure oder Wasserglas hergestellt. Andere relevante anorganische Vorläufermaterialien für die siliciumdioxidbasierte Aerogel-Synthese schließen, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, Metallsilikate wie Natriumsilikat oder Kaliumsilikat, Alkoxysilane, teilweise hydrolysierte Alkoxysilane, Tetraethoxylsilan (TEOS), teilweise hydrolysiertes TEOS, kondensierte Polymere von TEOS, Tetraoxylsilan (TMOS), teilweise hydrolysiertes TMOS, kondensierte Polymere von TMOS, Tetramethylsilan, teilweise hydrolysierte und/oder kondensierte Polymere von tetra-n-Propoxysilan, Polyethylsilikate, teilweise hydrolysierte Polyethylsilikate, monomere Alkylalkoxysilane, bis-Trialkoxyalkyl- oder Arylsilane, polyedrische Silsesquioxane oder Kombinationen davon ein.Inorganic aerogels are generally formed from metal oxide or metal alkoxide materials. The metal oxide or metal alkoxide materials can be based on oxides or alkoxides of a metal capable of forming oxides. Such metals include, but are not limited to, silicon, aluminum, titanium, zirconium, hafnium, yttrium, vanadium, cerium, and the like. Inorganic silica aerogels are traditionally prepared via the hydrolysis and condensation of silica-based alkoxides (such as tetraethoxysilane) or by gelation of silica or water glass. Other relevant inorganic precursor materials for silica-based airgel synthesis include but are not limited to metal silicates such as sodium silicate or potassium silicate, alkoxysilanes, partially hydrolyzed alkoxysilanes, tetraethoxysilane (TEOS), partially hydrolyzed TEOS, condensed polymers of TEOS, tetraoxysilane (TMOS), partially hydrolyzed TMOS, condensed polymers of TMOS, tetrame ethyl silane, partially hydrolyzed and/or condensed polymers of tetra-n-propoxysilane, polyethyl silicates, partially hydrolyzed polyethyl silicates, monomeric alkyl alkoxy silanes, bis-trialkoxy alkyl or aryl silanes, polyhedral silsesquioxanes, or combinations thereof.

In bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung kann vorhydrolysiertes TEOS, wie Silbond H-5 (SBH5, Silbond Corp), das mit einem Wasser/Siliciumdioxid-Verhältnis von etwa 1,9-2 hydrolysiert wird, als im Handel erhältlich verwendet werden oder kann vor dem Einbau in den Gelierprozess weiter hydrolysiert werden. Teilweise hydrolysiertes TEOS oder TMOS, wie Polyethylsilikat (Silbond 40) oder Polymethylsilikat, können auch als kommerziell erhältlich oder vor dem Einbau in den Gelierprozess weiter hydrolysiert werden.In certain embodiments of the present disclosure, pre-hydrolyzed TEOS, such as Silbond H-5 (SBH5, Silbond Corp), which is hydrolyzed at a water/silica ratio of about 1.9-2, can be used as is or can be pre-hydrolyzed Incorporation into the gelling process are further hydrolyzed. Partially hydrolyzed TEOS or TMOS such as polyethyl silicate (Silbond 40) or polymethyl silicate can also be obtained commercially or further hydrolyzed prior to incorporation into the gelling process.

Anorganische Aerogele können auch Gelvorläufer einschließen, die mindestens eine hydrophobe Gruppe umfassen, wie Alkylmetallalkoxide, Cycloalkylmetallalkoxide und Arylmetallalkoxide, die bestimmte Eigenschaften im Gel wie Stabilität und Hydrophobizität verleihen oder verbessern können. Anorganische Siliciumdioxid-Aerogele können insbesondere hydrophobe Vorläufer wie Alkylsilane oder Arylsilane einschließen. Hydrophobe Gelvorläufer können als Primärvorläufermaterialien verwendet werden, um das Gerüst eines Gelmaterials zu bilden. Die hydrophoben Gelvorläufer werden jedoch häufig als Co-Vorläufer in Kombination mit einfachen Metallalkoxiden bei der Bildung von Amalgam-Aerogelen verwendet. Hydrophobe anorganische Vorläufermaterialien für die siliciumdioxidbasierte Aerogel-Synthese schließen ein, sind aber nicht beschränkt auf Trimethylmethoxysilan (TMS), Dimethyldimethoxysilan (DMS), Methyltrimethoxysilan (MTMS), Trimethylethoxysilan, Dimethyldiethoxysilan (DMDS), Methyltriethoxysilan (MTES), Ethyltriethoxysilan (ETES), Diethyldiethoxysilan, Dimethyldiethoxysilan (DMDES), Ethyltriethoxysilan, Propyltrimethoxysilan, Propyltriethoxysilan, Phenyltrimethoxysilan, Phenyltriethoxysilan (PhTES), Hexamethyldisilazan und Hexaethyldisilazan und dergleichen. Alle Derivate eines der oben genannten Vorläufer können verwendet werden und spezifisch können bestimmte Polymere anderer chemischer Gruppen mit einem oder mehreren der vorstehenden Vorläufer hinzugefügt oder vernetzt werden.Inorganic aerogels can also include gel precursors that include at least one hydrophobic group, such as alkyl metal alkoxides, cycloalkyl metal alkoxides, and aryl metal alkoxides, which can impart or enhance certain properties in the gel, such as stability and hydrophobicity. Inorganic silica aerogels, in particular, can include hydrophobic precursors such as alkyl silanes or aryl silanes. Hydrophobic gel precursors can be used as primary precursor materials to form the backbone of a gel material. However, the hydrophobic gel precursors are often used as co-precursors in combination with simple metal alkoxides in the formation of amalgam aerogels. Hydrophobic inorganic precursor materials for silica-based airgel synthesis include, but are not limited to, trimethylmethoxysilane (TMS), dimethyldimethoxysilane (DMS), methyltrimethoxysilane (MTMS), trimethylethoxysilane, dimethyldiethoxysilane (DMDS), methyltriethoxysilane (MTES), ethyltriethoxysilane (ETES), diethyldiethoxysilane , dimethyldiethoxysilane (DMDES), ethyltriethoxysilane, propyltrimethoxysilane, propyltriethoxysilane, phenyltrimethoxysilane, phenyltriethoxysilane (PhTES), hexamethyldisilazane and hexaethyldisilazane, and the like. Any derivative of any of the above precursors may be used and specifically certain polymers of other chemical groups may be added or crosslinked with one or more of the above precursors.

Aerogele können auch behandelt werden, um Hydrophobizität zu verleihen oder zu verbessern. Eine hydrophobe Behandlung kann auf eine Sol-Gel-Lösung, ein Nassgel vor der Flüssigextraktion oder auf ein Aerogel nach der Flüssigextraktion angewendet werden. Die hydrophobe Behandlung ist besonders bei der Herstellung von Metalloxid-Aerogelen, wie Siliciumdioxid-Aerogelen, üblich. Ein Beispiel für eine hydrophobe Behandlung eines Gels wird nachstehend ausführlicher erörtert, insbesondere im Zusammenhang mit der Behandlung eines Siliciumdioxid-Nassgels. Die hierin bereitgestellten spezifischen Beispiele und Veranschaulichungen sollen jedoch den Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung nicht auf einen bestimmten Typ von hydrophober Behandlungsprozedur oder Aerogel-Substrat beschränken. Die vorliegende Offenbarung kann jedes Gel oder Aerogel einschließen, das dem Fachmann bekannt ist, sowie zugehörige Verfahren zur hydrophoben Behandlung der Aerogele, entweder in nasser Form oder getrockneter Aerogel-Form.Aerogels can also be treated to impart or improve hydrophobicity. A hydrophobic treatment can be applied to a sol-gel solution, a wet gel before liquid extraction, or an airgel after liquid extraction. The hydrophobic treatment is particularly common in the manufacture of metal oxide aerogels such as silica aerogels. An example of a hydrophobic treatment of a gel is discussed in more detail below, particularly in the context of treating a silica wet gel. However, the specific examples and illustrations provided herein are not intended to limit the scope of the present disclosure to any particular type of hydrophobic treatment procedure or airgel substrate. The present disclosure may include any gel or aerogel known to those skilled in the art and associated methods for hydrophobic treatment of the aerogels, either in wet or dried airgel form.

Die hydrophobe Behandlung erfolgt durch Umsetzen einer Hydroxyeinheit auf einem Gel, wie einer Silanolgruppe (Si-OH), die im Gerüst eines Siliciumdioxidgel vorhanden ist, mit einer funktionellen Gruppe eines Hydrophobierungsmittels. Die resultierende Reaktion wandelt die Silanolgruppe und das Hydrophobierungsmittel am Gerüst des Kieselgels in eine hydrophobe Gruppe um. Die Hydrophobiermittelverbindung kann mit Hydroxylgruppen auf dem Gel gemäß folgender Reaktion reagieren: RNMX4-N (Hydrophobierungsmittel) + MOH (Silanol) ---+ MOMRN (hydrophobe Gruppe) + HX. Die hydrophobe Behandlung kann sowohl auf der äußeren Makrooberfläche eines Kieselgels als auch auf den inneren Porenoberflächen im porösen Netzwerk eines Gels erfolgen.The hydrophobic treatment is accomplished by reacting a hydroxy moiety on a gel, such as a silanol group (Si-OH) present in the backbone of a silica gel, with a functional group of a hydrophobing agent. The resulting reaction converts the silanol group and hydrophobing agent on the backbone of the silica gel into a hydrophobic group. The hydrophobing agent compound can react with hydroxyl groups on the gel according to the following reaction: RNMX4-N (hydrophobing agent) + MOH (silanol) ---+ MOMRN (hydrophobic group) + HX. The hydrophobic treatment can occur both on the outer macrosurface of a silica gel and on the inner pore surfaces in the porous network of a gel.

Ein Gel kann in eine Mischung aus einem Hydrophobierungsmittel und einem optionalen hydrophoben Behandlungslösungsmittel eingetaucht werden, in dem das Hydrophobierungsmittel löslich ist und das auch mit dem Gellösungsmittel im Nassgel mischbar ist. Es kann eine breite Palette an hydrophoben Lösungsmitteln verwendet werden, einschließlich Lösungsmittel wie Methanol, Ethanol, Isopropanol, Xylol, Toluol, Benzol, Dimethylformamid und Hexan. Hydrophobierungsmittel in flüssiger oder gasförmiger Form können auch direkt mit dem Gel in Kontakt gebracht werden, um Hydrophobizität zu verleihen.A gel can be immersed in a mixture of a hydrophobing agent and an optional hydrophobic treatment solvent in which the hydrophobing agent is soluble and which is also miscible with the gel solvent in the wet gel. A wide range of hydrophobic solvents can be used, including solvents such as methanol, ethanol, isopropanol, xylene, toluene, benzene, dimethylformamide and hexane. Hydrophobing agents in liquid or gaseous form can also be contacted directly with the gel to impart hydrophobicity.

Der hydrophobe Behandlungsprozess kann das Mischen oder Rühren einschließen, um das Hydrophobierungsmittel beim Durchdringen des Nassgels zu unterstützen. Der hydrophobe Behandlungsprozess kann auch unterschiedliche Bedingungen wie Temperatur und pH-Wert einschließen, um die Behandlungsreaktionen weiter zu verbessern und zu optimieren. Nach Abschluss der Reaktion wird das Nassgel gewaschen, um nicht umgesetzte Verbindungen und Reaktionsnebenprodukte zu entfernen.The hydrophobic treatment process may include mixing or agitation to assist the hydrophobing agent in penetrating the wet gel. The hydrophobic treatment process can also include different conditions such as temperature and pH to further enhance and optimize the treatment reactions. After the reaction is completed, the wet gel is washed to remove unreacted compounds and reaction by-products.

Hydrophobierungsmittel zur hydrophoben Behandlung eines Aerogels sind im Allgemeinen Verbindungen der folgenden Formel: RNMX4-N; wobei M das Metall ist; R eine hydrophobe Gruppe wie CH₃, CH₂CH₃, C₆H₆ ist, oder ähnliche hydrophobe Alkyl-, Cycloalkyl- oder Aryleinheiten; und X ein Halogen, üblicherweise Cl, ist. Spezifische Beispiele für Hydrophobierungsmittel schließen Trimethylchlorsilan (TMCS), Triethylchlorsilan (TECS), Triphenylchlorsilan (TPCS), Dimethylchlorsilan (DMCS), Dimethyldichlorsilan (DMDCS) und dergleichen ein. Hydrophobierungsmittel können auch der folgenden Formel sein: Y(R₃M)₂; wobei M ein Metall ist; Y eine Brückengruppe wie NH oder O ist; und R eine hydrophobe Gruppe wie CH₃, CH₂CH₃, CeHe oder ähnliche hydrophobe Alkyl-, Cycloalkyl- oder Aryleinheiten. Spezifische Beispiele solcher Hydrophobierungsmittel schließen Hexamethyldisilazan [HMDZ] und Hexamethyldisiloxan [HMDSO] ein, sind aber nicht darauf beschränkt. Hydrophobierungsmittel können ferner Verbindungen der folgenden Formel einschließen: RNMV4-N, wobei V eine reaktive oder Abgangsgruppe außer Halogen ist. Spezifische Beispiele solcher Hydrophobierungsmittel schließen Vinyltriethoxysilan und Vinyltrimethoxysilan ein, sind aber nicht darauf beschränkt.Hydrophobizing agents for treating an airgel hydrophobically are generally compounds of the following formula: RNMX4-N; where M is the metal; R is a hydrophobic group such as CH ₃ , CH ₂ CH ₃ , C ₆ H ₆ or similar hydrophobic alkyl, cycloalkyl or aryl moieties; and X is a halogen, usually Cl. Specific examples of hydrophobing agents include trimethylchlorosilane (TMCS), triethylchlorosilane (TECS), triphenylchlorosilane (TPCS), dimethylchlorosilane (DMCS), dimethyldichlorosilane (DMDCS), and the like. Hydrophobing agents can also be of the following formula: Y(R ₃ M) ₂ ; where M is a metal; Y is a bridging group such as NH or O; and R is a hydrophobic group such as CH ₃ , CH ₂ CH ₃ , CeHe or similar hydrophobic alkyl, cycloalkyl or aryl moieties. Specific examples of such hydrophobing agents include, but are not limited to, hexamethyldisilazane [HMDZ] and hexamethyldisiloxane [HMDSO]. Hydrophobing agents may further include compounds of the following formula: RNMV4-N where V is a reactive or leaving group other than halogen. Specific examples of such hydrophobing agents include, but are not limited to, vinyltriethoxysilane and vinyltrimethoxysilane.

Hydrophobe Behandlungen der vorliegenden Offenbarung können auch während des Entfernens, Austauschens oder Trocknens von Flüssigkeit im Gel durchgeführt werden. In einer spezifischen Ausführungsform kann die hydrophobe Behandlung in überkritischer Fluidumgebung durchgeführt werden (wie, aber nicht beschränkt auf überkritisches Kohlendioxid) und kann mit dem Trocknungs- oder Extraktionsschritt kombiniert werden.Hydrophobic treatments of the present disclosure can also be performed during the removal, exchange, or drying of liquid in the gel. In a specific embodiment, the hydrophobic treatment can be performed in a supercritical fluid environment (such as, but not limited to, supercritical carbon dioxide) and can be combined with the drying or extraction step.

Organische AerogeleOrganic Aerogels

Organische Aerogele werden im Allgemeinen aus kohlenstoffbasierten polymeren Vorläufern gebildet. Solche Polymermaterialien schließen, ohne darauf beschränkt zu sein, Resorcin Formaldehyde (RF), Polyimid, Polyacrylat, Polymethylmethacrylat, Acrylatoligomere, Polyoxyalkylen, Polyurethan, Polyphenol, Polybutadian, trialkoxysilyl-terminiertes Polydimethylsiloxan, Polystyrol, Polyacrylnitril, Polyfurfural, Melaminformaldehyd, Kresolformaldehyd, Phenolfurfural, Polyether, Polyol, Polyisocyanat, Polyhydroxybenze, Polyvinylalkohol, Polycyanurate, Polyacrylamide, verschiedene Epoxide, Agar, Agarose, Chitosan und Kombinationen davon ein. Als ein Beispiel werden organische HF-Aerogele üblicherweise aus der Sol-Gel-Polymerisation von Resorcin oder Melamin mit Formaldehyd unter alkalischen Bedingungen hergestellt.Organic aerogels are generally formed from carbon-based polymeric precursors. Such polymeric materials include, but are not limited to, resorcinol formaldehyde (RF), polyimide, polyacrylate, polymethyl methacrylate, acrylate oligomers, polyoxyalkylene, polyurethane, polyphenol, polybutadiene, trialkoxysilyl terminated polydimethylsiloxane, polystyrene, polyacrylonitrile, polyfurfural, melamine formaldehyde, cresol formaldehyde, phenolfurfural, polyether , polyol, polyisocyanate, polyhydroxybenzene, polyvinyl alcohol, polycyanurates, polyacrylamides, various epoxides, agar, agarose, chitosan, and combinations thereof. As an example, organic HF aerogels are commonly made from the sol-gel polymerization of resorcinol or melamine with formaldehyde under alkaline conditions.

Organische/anorganische Hybrid-AerogeleHybrid organic/inorganic aerogels

Organische/anorganische Hybrid-Aerogele bestehen hauptsächlich aus (organisch modifizierten Siliciumdioxid-(„Ormosil“)-Aerogelen. Diese Ormosil-Materialien schließen organische Komponenten ein, die kovalent an ein Siliciumdioxid-Netzwerk gebunden sind. Ormosile werden üblicherweise durch Hydrolyse und Kondensation organisch modifizierter Silane, R--Si(OX)₃, mit herkömmlichen Alkoxidvorläufern, Y(OX)₄, gebildet. In diesen Formeln kann X zum Beispiel für CH₃, C₂H₅, C₃H₇, C₄H₉ stehen; Y kann zum Beispiel für Si, Ti, Zr oder Al stehen; und R kann jedes organische Fragment wie Methyl, Ethyl, Propyl, Butyl, Isopropyl, Methacrylat, Acrylat, Vinyl, Epoxid und dergleichen sein. Die organischen Komponenten im Ormosil-Aerogel können auch vollständig verteilt oder chemisch an das Siliciumdioxid-Netzwerk gebunden sein.Hybrid organic/inorganic aerogels consist primarily of (organically modified silica ("Ormosil") aerogels. These Ormosil materials include organic moieties covalently bound to a silica network. Ormosils are typically more organically modified through hydrolysis and condensation silanes, R--Si(OX) ₃ , formed with conventional alkoxide precursors, Y(OX) _4. In these formulas, X can be, for example, CH ₃ , C ₂ H ₅ , C ₃ H ₇ , C ₄ H ₉ ; For example, Y can be Si, Ti, Zr, or Al and R can be any organic moiety such as methyl, ethyl, propyl, butyl, isopropyl, methacrylate, acrylate, vinyl, epoxy, etc. The organic components in Ormosil airgel can be also be fully distributed or chemically bound to the silica network.

In bestimmten Ausführungsformen sind Aerogele der vorliegenden Offenbarung anorganische Siliciumdioxid-Aerogele, die hauptsächlich aus vorpolymerisierten Siliciumdioxidvorläufern gebildet werden, vorzugsweise als Oligomere oder hydrolysierte Silikatester, die aus Siliciumalkoxiden in einem Alkohollösungsmittel gebildet werden. In bestimmten Ausführungsformen können solche vorpolymerisierten Siliciumdioxidvorläufer oder hydrolysierte Silikatester in situ aus anderen Vorläufern oder Silikatestern wie Alkoxysilanen oder Wasserglas gebildet werden. Die Offenbarung als Ganzes kann jedoch mit beliebigen anderen Aerogel-Zusammensetzungen praktiziert werden, die Fachleuten bekannt sind, und ist auf kein bestimmtes Vorläufermaterial oder bestimmte Amalgammischung von Vorläufermaterialien beschränkt.In certain embodiments, aerogels of the present disclosure are inorganic silica aerogels formed primarily from pre-polymerized silica precursors, preferably as oligomers or hydrolyzed silicate esters, formed from silicon alkoxides in an alcohol solvent. In certain embodiments, such pre-polymerized silica precursors or hydrolyzed silicate esters can be formed in situ from other precursors or silicate esters such as alkoxysilanes or water glass. However, the disclosure as a whole may be practiced with any other airgel compositions known to those skilled in the art and is not limited to any particular precursor material or amalgam mixture of precursor materials.

Makroporenmacropores

Wie vorstehend erörtert, können Aerogel-Zusammensetzungen gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung ein Aerogel-Gerüst einschließen, das Makroporen einschließt. Ohne an eine bestimmte Theorie gebunden zu sein, kann das Vorhandensein von Makroporen innerhalb des Aerogel-Gerüsts eine Kompression der Aerogel-Zusammensetzung, z. B. der verstärkten Aerogel-Zusammensetzung, ermöglichen, während die thermischen Eigenschaften beibehalten oder sogar verbessert werden, z. B. die Wärmeleitfähigkeit reduziert wird. Zum Beispiel können die Makroporen durch Kompression der Zusammensetzung verformt, zerquetscht oder anderweitig verkleinert werden, wodurch die Dicke der Zusammensetzung unter Last reduziert werden kann. Da die Makroporen verformt werden, werden sie jedoch effektiv zu kleineren Poren. Infolgedessen kann der Weg für die Wärmeübertragung innerhalb des Aerogel-Gerüsts schneller sein, da die Makroporen verformt werden, wodurch die thermischen Eigenschaften verbessert werden, z. B. die Wärmeleitfähigkeit reduziert wird. Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung sind „Mesoporen“ Poren, für die der durchschnittliche Porendurchmesser im Bereich von etwa 2 nm und etwa 50 nm liegt. As discussed above, airgel compositions according to embodiments of the present disclosure may include an airgel framework that includes macropores. Without being bound by any particular theory, the presence of macrovoids within the airgel framework may result in compression of the airgel composition, e.g. the reinforced airgel composition, while maintaining or even improving thermal properties, e.g. B. the thermal conductivity is reduced. For example, the macropores can be deformed, crushed, or otherwise reduced in size by compression of the composition, thereby reducing the thickness of the composition under load. However, as the macropores are deformed, they effectively become smaller pores. As a result, the path for heat transfer within the airgel framework can be faster as the macropores are deformed, improving thermal properties, e.g. B. the thermal conductivity is reduced. As used herein, "mesopores" are pores for which the average pore diameter ranges from about 2 nm to about 50 nm.

Aerogel-Gerüste sind üblicherweise mesoporös (d. h. hauptsächlich Poren mit einem durchschnittlichen Durchmesser im Bereich von etwa 2 nm bis etwa 50 nm). In bestimmten Ausführungsformen kann das Aerogel-Gerüst der Aerogel-Zusammensetzungen der vorliegenden Offenbarung Makroporen einschließen. Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung sind „Makroporen“ Poren, für die der durchschnittliche Porendurchmesser größer als etwa 50 nm ist. Ein Aerogel-Gerüst kann sowohl Makroporen als auch Mesoporen einschließen. Zum Beispiel können mindestens 10 % eines Porenvolumens des Aerogel-Gerüsts aus Makroporen bestehen, mindestens 5 % des Porenvolumens des Aerogel-Gerüsts können aus Makroporen bestehen, mindestens 75 % des Porenvolumens des Aerogel-Gerüsts können aus Makroporen bestehen, mindestens 95 % des Porenvolumens des Aerogel-Gerüsts können aus Makroporen bestehen oder 100 % des Porenvolumens des Aerogel-Gerüsts können aus Makroporen bestehen. In einigen speziellen Ausführungsformen kann das Aerogel-Gerüst ein makroporöses Aerogel-Gerüst sein, so dass ein Großteil seines Porenvolumens aus Makroporen besteht. In einigen Fällen kann das makroporöse Aerogel-Gerüst auch Mikroporen und/oder Mesoporen einschließen. In einigen Ausführungsformen kann die durchschnittliche Porengröße (Durchmesser) von Poren im Aerogel-Gerüst größer als 50 nm, größer als 50 nm bis 5000 nm, 250 nm bis 2000 nm, 500 nm bis 2000 nm, 500 nm bis 1400 nm oder 1200 nm sein. In bestimmten Ausführungsformen kann die durchschnittliche Porengröße größer als 50 nm im Durchmesser, größer als 50 nm bis 1000 nm, vorzugsweise 100 nm bis 800 nm, bevorzugter 250 nm bis 750 nm sein.Airgel scaffolds are typically mesoporous (ie, primarily pores with an average diameter ranging from about 2 nm to about 50 nm). In certain embodiments, the airgel backbone of the airgel compositions of the present disclosure can include macropores. As used herein, "macropores" are pores for which the average pore diameter is greater than about 50 nm. An airgel framework can include both macropores and mesopores. For example, at least 10% of a pore volume of the airgel scaffold can consist of macropores, at least 5% of the pore volume of the airgel scaffold can consist of macropores, at least 75% of the pore volume of the airgel scaffold can consist of macropores, at least 95% of the pore volume of the Airgel scaffolds can consist of macropores or 100% of the pore volume of the airgel scaffold can consist of macropores. In some specific embodiments, the airgel scaffold may be a macroporous airgel scaffold such that a majority of its pore volume is made up of macropores. In some cases, the macroporous airgel framework can also include micropores and/or mesopores. In some embodiments, the average pore size (diameter) of pores in the airgel scaffold may be greater than 50 nm, greater than 50 nm to 5000 nm, 250 nm to 2000 nm, 500 nm to 2000 nm, 500 nm to 1400 nm, or 1200 nm . In certain embodiments, the average pore size may be greater than 50 nm in diameter, greater than 50 nm to 1000 nm, preferably 100 nm to 800 nm, more preferably 250 nm to 750 nm.

Homogene und heterogene PorengrößenverteilungHomogeneous and heterogeneous pore size distribution

In einigen Ausführungsformen kann die Variation der Porengröße innerhalb des Aerogel-Gerüsts homogen über das Aerogel-Gerüst verteilt werden. Zum Beispiel kann die durchschnittliche Porengröße im gesamten Aerogel-Gerüst im Wesentlichen gleich sein.In some embodiments, the variation in pore size within the airgel scaffold can be homogeneously distributed throughout the airgel scaffold. For example, the average pore size can be essentially the same throughout the airgel framework.

In anderen Ausführungsformen kann die Variation der Porengröße innerhalb des Aerogel-Gerüsts heterogen durch das Aerogel-Gerüst verteilt sein. Zum Beispiel kann die durchschnittliche Porengröße in bestimmten Regionen des Aerogel-Gerüsts unterschiedlich sein. In einigen Ausführungsbeispielen kann die durchschnittliche Porengröße im Bereich der oberen Oberfläche, der unteren Oberfläche oder sowohl der oberen als auch der unteren Oberfläche des Aerogel-Gerüsts größer sein. Zum Beispiel können Makroporen innerhalb der Zusammensetzung so verteilt sein, dass das Verhältnis von Makroporen zu Mesoporen an der oberen Oberfläche größer ist als an der unteren Oberfläche, größer an der unteren Oberfläche als an der oberen Oberfläche, oder sowohl an der oberen als auch an der unteren Oberfläche größer ist als in einem mittleren Bereich zwischen der oberen und der unteren Oberfläche. Für ein anderes Beispiel können die Makroporen innerhalb der Zusammensetzung so verteilt sein, dass das Verhältnis von Makroporen zu Mesoporen nahe der oberen Oberfläche größer ist als nahe der unteren Oberfläche, nahe der unteren Oberfläche größer als nahe der oberen Oberfläche ist oder sowohl nahe der oberen als auch der unteren Oberfläche größer als im mittleren Bereich zwischen der oberen und der unteren Oberfläche ist. In anderen Ausführungsformen kann die durchschnittliche Porengröße in einem mittleren Bereich zwischen der oberen und der unteren Oberfläche des Aerogel-Gerüsts größer sein.In other embodiments, the variation in pore size within the airgel scaffold may be distributed heterogeneously throughout the airgel scaffold. For example, the average pore size can be different in certain regions of the airgel backbone. In some embodiments, the average pore size may be larger in the top surface, bottom surface, or both top and bottom surfaces of the airgel scaffold. For example, macropores can be distributed within the composition such that the ratio of macropores to mesopores is greater on the top surface than on the bottom surface, greater on the bottom surface than on the top surface, or on both the top and bottom surfaces lower surface is larger than an intermediate region between the upper and lower surfaces. For another example, the macropores may be distributed within the composition such that the ratio of macropores to mesopores is greater near the top surface than near the bottom surface, greater near the bottom surface than near the top surface, or both near the top than also of the lower surface is greater than the middle region between the upper and lower surfaces. In other embodiments, the average pore size may be larger in an intermediate region between the top and bottom surfaces of the airgel scaffold.

Makroporenbildungmacropore formation

Makroporen können während der Herstellung der Aerogel-Zusammensetzung gebildet werden. Zum Beispiel kann die Bildung von Makroporen während des Übergangs in die Gelzusammensetzung in den Gelvorläufermaterialien induziert werden. In einigen Ausführungsformen kann die Bildung von Makroporen durch Induzieren einer spinodalen Zersetzung, z. B. der Gelvorläuferlösung, erfolgen. Für ein anderes Beispiel kann die Bildung von Makroporen durch Zugabe eines oder mehrerer Schaummittel induziert werden.Macropores can be formed during manufacture of the airgel composition. For example, the formation of macropores can be induced in the gel precursor materials during transition into the gel composition. In some embodiments, the formation of macropores can be initiated by inducing a spinodal decomposition, e.g. B. the gel precursor solution. For another example, macropore formation can be induced by the addition of one or more foaming agents.

Die im resultierenden Aerogel-Gerüst vorhandenen Makroporen können gebildet werden, indem Verarbeitungsbedingungen ausgewählt werden, welche die Bildung von Makroporen gegenüber Mesoporen und/oder Mikroporen begünstigen. Die Menge an Makroporen kann durch Umsetzung einer beliebigen Kombination oder aller der folgenden Variablen angepasst werden: (1) das Polymerisationslösungsmittel; (2) die Polymerisationstemperatur; (3) das Polymermolekulargewicht; (4) die Molekulargewichtsverteilung; (5) die Copolymerzusammensetzung; (6) die Menge an Verzweigung; (7) die Menge an Vernetzung; (8) das Verfahren der Verzweigung; (9) das Verfahren der Vernetzung; (10) das Verfahren, das bei der Bildung des Gels verwendet wird; (11) die Art des Katalysators, der zum Bilden des Gels verwendet wird; (12) die chemische Zusammensetzung des Katalysators, der zum Bilden des Gels verwendet wird; (13) die Menge des Katalysators, der zum Bilden des Gels verwendet wird; (14) die Temperatur der Gelbildung; (15) die Art des Gases, das während der Gelbildung über das Material fließt; (16) die Geschwindigkeit des Gases, das während der Gelbildung über das Material fließt; (17) der Druck der Atmosphäre während der Gelbildung; (18) die Entfernung von gelösten Gasen während der Gelbildung; (19) das Vorhandensein fester Zusatzstoffe im Harz während der Gelbildung; (20) die Zeitdauer des Gelbildungsprozesses; (21) das für die Gelbildung verwendete Substrat; (22) die Art von Lösungsmittel oder Lösungsmitteln, die in jedem Schritt des Lösungsmittelaustauschprozesses verwendet werden; (23) die Zusammensetzung von Lösungsmittel oder Lösungsmitteln, die in jedem Schritt des Lösungsmittelaustauschprozesses verwendet werden; (24) die Zeitdauer, die in jedem Schritt des Lösungsmittelaustauschprozesses verwendet wird; (25) die Verweilzeit des Teils in jedem Schritt des Lösungsmittelaustauschprozesses; (26) die Fließgeschwindigkeit des 44 Lösungsmittelaustauschlösungsmittels; (27) die Art des Durchflusses des Lösungsmittelaustauschlösungsmittels; (28) die Rührgeschwindigkeit des Lösungsmittelaustauschlösungsmittels; (29) die Temperatur, die in jedem Schritt des Lösungsmittelaustauschprozesses verwendet wird; (30) das Verhältnis des Volumens des Lösungsmittelaustauschlösungsmittels zum Volumen des Teils; (31) das Trocknungsverfahren; (32) die Temperatur jedes Schritts in dem Trocknungsprozess; (33) der Druck in jedem Schritt des Trocknungsprozesses; (34) die Zusammensetzung des Gases, das in jedem Schritt des Trocknungsprozesses verwendet wird; (35) die Geschwindigkeit des Gasflusses während jedes Schritts des Trocknungsprozesses; (36) die Temperatur des Gases während jedes Schritts des Trocknungsprozesses; (37) die Temperatur des Teils während jedes Schritts des Trocknungsprozesses; (38) das Vorhandensein einer Umhüllung um den Teil während jedes Schritts des Trocknungsprozesses; (39) die Art der Umhüllung, die den Teil während des Trocknens umgibt; und/oder (40) die Lösungsmittel, die in jedem Schritt des Trocknungsprozesses verwendet werden. Die multifunktionellen Amin- und Diaminverbindungen können separat oder zusammen in einem oder mehreren Teilen als Feststoffe, unverdünnt oder in einem geeigneten Lösungsmittel gelöst zugegeben werden. In anderen Gesichtspunkten kann ein Verfahren zum Herstellen eines Aerogels die folgenden Schritte einschließen: (a) Bereitstellen einer multifunktionellen Aminverbindung und mindestens einer Diaminverbindung zu einem Lösungsmittel, um eine Lösung zu bilden; (b) Bereitstellen mindestens einer Dianhydridverbindung an die Lösung von Schritt (a) unter Bedingungen, die ausreichen, um eine verzweigte Polymermatrixlösung zu bilden, wobei die verzweigte Polymermatrix in der Lösung solubilisiert ist; und (c) Aussetzen der verzweigten Polymermatrixlösung von Bedingungen, die ausreichen, um ein Aerogel mit einer offenen Zellstruktur zu bilden. Die im resultierenden Aerogel-Gerüst vorhandenen Makroporen können auf die vorstehend erwähnte Weise gebildet werden. In einem bevorzugten und nicht einschränkenden Gesichtspunkt kann die Bildung von Makroporen gegenüber kleineren Mesoporen und Mikroporen hauptsächlich durch Steuern der Polymer-/Lösungsmitteldynamik während der Gelbildung gesteuert werden.The macropores present in the resulting airgel scaffold can be formed by selecting processing conditions that favor the formation of macropores over mesopores and/or micropores. The amount of macrovoids can be adjusted by addressing any combination or all of the following variables: (1) the polymerization solvent; (2) the polymerization temperature; (3) polymer molecular weight; (4) the molecular weight distribution; (5) the copolymer composition; (6) the amount of branching; (7) the amount of crosslinking; (8) the method of branching; (9) the process of crosslinking; (10) the method used in forming the gel; (11) the type of catalyst used to form the gel; (12) the chemical composition of the catalyst used to form the gel; (13) the amount of catalyst used to form the gel; (14) the temperature of gelation; (15) the type of gas flowing over the material during gelation; (16) the velocity of the gas flowing over the material during gelation; (17) the pressure of the atmosphere during gelation; (18) the removal of dissolved gases during gelation; (19) the presence of solid additives in the resin during gelation; (20) the length of time of the gelation process; (21) the substrate used for gelation; (22) the type of solvent or solvents used in each step of the solvent exchange process; (23) the composition of solvent or solvents used in each step of the solvent exchange process; (24) the amount of time used in each step of the solvent exchange process; (25) the residence time of the part in each step of the solvent exchange process; (26) the flow rate of the 44 solvent exchange solvent; (27) the type of flow of the solvent exchange solvent; (28) the agitation speed of the solvent exchange solvent; (29) the temperature used in each step of the solvent exchange process; (30) the ratio of the volume of the solvent exchange solvent to the volume of the part; (31) the drying process; (32) the temperature of each step in the drying process; (33) the pressure at each step of the drying process; (34) the composition of the gas used in each step of the drying process; (35) the rate of gas flow during each step of the drying process; (36) the temperature of the gas during each step of the drying process; (37) the temperature of the part during each step of the drying process; (38) the presence of a cladding around the part during each step of the drying process; (39) the type of covering that will surround the part during drying; and/or (40) the solvents used in each step of the drying process. The multifunctional amine and diamine compounds can be added separately or together in one or more parts as solids, neat, or dissolved in a suitable solvent. In other aspects, a method of making an airgel may include the steps of: (a) providing a multifunctional amine compound and at least one diamine compound to a solvent to form a solution; (b) providing at least one dianhydride compound to the solution of step (a) under conditions sufficient to form a branched polymer matrix solution, the branched polymer matrix being solubilized in the solution; and (c) subjecting the branched polymer matrix solution to conditions sufficient to form an airgel having an open cell structure. The macropores present in the resulting airgel skeleton can be formed in the manner mentioned above. In a preferred and non-limiting aspect, the formation of macropores versus smaller mesopores and micropores can be controlled primarily by controlling the polymer/solvent dynamics during gelation.

Wie vorstehend erörtert, können Aerogel-Zusammensetzungen gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung ein Aerogel-Gerüst und ein Verstärkungsmaterial einschließen, wobei mindestens ein Abschnitt des Verstärkungsmaterials kein Aerogel enthält. Zum Beispiel kann sich das Aerogel-Gerüst teilweise durch die Dicke des Verstärkungsmaterials erstrecken. In solchen Ausführungsformen kann ein Abschnitt des Verstärkungsmaterials, z. B. eine OCMF, Faser oder Kombinationen davon, Aerogel-Material einschließen, und ein Abschnitt kann frei von Aerogel sein. Zum Beispiel erstreckt sich das Aerogel in einigen Ausführungsformen durch etwa 90 % der Dicke des Verstärkungsmaterials, durch einen Bereich von etwa 50 % und etwa 90 % der Dicke des Verstärkungsmaterials, durch einen Bereich von etwa 10 % bis etwa 50 % der Dicke des Verstärkungsmaterials oder durch etwa 10 % der Dicke des Verstärkungsmaterials.As discussed above, airgel compositions according to embodiments of the present disclosure may include an airgel scaffold and a reinforcement material, wherein at least a portion of the reinforcement material does not contain airgel. For example, the airgel scaffold can extend partially through the thickness of the reinforcement material. In such embodiments, a portion of the reinforcement material, e.g. OCMF, fiber, or combinations thereof, may include airgel material, and a portion may be free of airgel. For example, in some embodiments, the airgel extends through about 90% of the thickness of the reinforcement material, through a range of about 50% and about 90% of the thickness of the reinforcement material, through a range of about 10% to about 50% of the thickness of the reinforcement material, or by about 10% of the thickness of the reinforcement material.

Ohne an eine bestimmte Theorie gebunden zu sein, bieten Aerogel-Zusammensetzungen, bei denen mindestens ein Abschnitt des Verstärkungsmaterials kein Aerogel enthalten kann, vorteilhafte Eigenschaften im Hinblick auf Komprimierbarkeit, Kompressionselastizität und Konformität. Zum Beispiel können die Eigenschaften des Verstärkungsmaterials ausgewählt werden, um eine ausreichende Verstärkung und Unterstützung für thermische Eigenschaften in dem Aerogel enthaltenden Bereich bereitzustellen und auch eine ausreichende Komprimierbarkeit, Kompressionselastizität und/oder Konformität in dem Bereich ohne Aerogel bereitzustellen. Der Aerogel enthaltende Abschnitt der verstärkten Aerogel-Zusammensetzung kann die gewünschte Wärmeleitfähigkeit bereitstellen, z. B. weniger als etwa 25 mW/m*K, während der Abschnitt der Verstärkung ohne Aerogel die gewünschten physikalischen Eigenschaften, z. B. Komprimierbarkeit, bereitstellen oder verbessern kann.Without being bound by any particular theory, airgel compositions in which at least a portion of the reinforcement material may not include airgel offer advantageous properties of compressibility, compression resilience, and conformity. For example, the properties of the reinforcement material can be selected to provide sufficient reinforcement and support for thermal properties in the airgel-containing region and also to provide sufficient compressibility, compression resiliency, and/or compliance in the non-airgel region. The airgel containing portion of the reinforced airgel composition can provide the desired thermal conductivity, e.g. less than about 25 mW/m*K, while the non-airgel portion of the reinforcement has the desired physical properties, e.g. B. compressibility, provide or improve.

In einigen Ausführungsformen können verstärkte Aerogel-Zusammensetzungen, in denen mindestens ein Abschnitt des Verstärkungsmaterials kein Aerogel enthält, unter Verwendung von hierin offenbarten Verfahren gebildet werden, in denen das Verstärkungsmaterial mit einer Menge an Vorläuferlösung kombiniert wird, die ausreicht, um das Verstärkungsmaterial teilweise mit Vorläuferlösung zu füllen. Zum Beispiel kann das Volumen des Vorläufers kleiner sein als das Volumen des Verstärkungsmaterials, sodass sich der Vorläufer nur teilweise durch die Verstärkung erstreckt. Beim Trocknen schließt die resultierende verstärkte Aerogel-Zusammensetzung ein Aerogel-Gerüst ein, das sich durch weniger als die gesamte Dicke des Verstärkungsmaterials erstreckt, wie vorstehend erörtert. In anderen Ausführungsformen können verstärkte Aerogel-Zusammensetzungen, bei denen mindestens ein Abschnitt des Verstärkungsmaterials kein Aerogel enthält, durch Entfernen von Oberflächen-Aerogel-Schichten aus der verstärkten Aerogel-Zusammensetzung gebildet werden.In some embodiments, reinforced airgel compositions in which at least a portion of the reinforcement material does not contain airgel can be formed using methods disclosed herein, in which the reinforcement material is combined with an amount of precursor solution sufficient to partially react the reinforcement material with precursor solution to fill. For example, the volume of the precursor may be less than the volume of the backing material such that the precursor extends only partially through the backing. Upon drying, the resulting reinforced airgel composition includes an airgel scaffold that extends through less than the entire thickness of the reinforcement material, as discussed above. In other embodiments, reinforced airgel compositions in which at least a portion of the reinforcement material does not contain airgel, can be formed by removing surface airgel layers from the reinforced airgel composition.

In einigen Ausführungsformen können verstärkte Aerogel-Zusammensetzungen, in denen mindestens ein Abschnitt des Verstärkungsmaterials kein Aerogel enthält, unter Verwendung eines Verstärkungsmaterials mit gemischten Eigenschaften durch die Dicke der Verstärkung gebildet werden. Zum Beispiel kann die Verstärkung eine Vielzahl von Schichten einschließen, wobei jede Schicht variierende Eigenschaften aufweist, z. B. Unterschiede hinsichtlich der durchschnittlichen Porengröße/Zellgröße, Materialzusammensetzung, geschlossenen Zellen, offenen Zellen, Oberflächenbehandlungen oder Kombinationen davon. Die Vielzahl von Schichten kann miteinander verbunden sein, z. B. unter Verwendung eines Klebstoffs, durch Flammenbindung oder durch andere geeignete Verfahren oder Mechanismen, wie die hierin erörterten. Die unterschiedlichen Eigenschaften des Verstärkungsmaterials können eine variierte Verteilung des Aerogels durch die Schichten bereitstellen. Zum Beispiel kann der offene Zellabschnitt des Verstärkungsmaterials ein Aerogel-Gerüst einschließen, während der geschlossene Zellabschnitt im Wesentlichen frei von Aerogel bleibt. In ähnlicher Weise können andere Materialeigenschaften des Verstärkungsmaterials oder -schichten davon die Verteilung des Aerogels innerhalb der Verstärkung und somit innerhalb der verstärkten Aerogel-Zusammensetzung bestimmen.In some embodiments, reinforced airgel compositions in which at least a portion of the reinforcement material does not contain airgel can be formed using a reinforcement material with mixed properties through the thickness of the reinforcement. For example, the reinforcement may include a plurality of layers, each layer having varying properties, e.g. B. Differences in average pore size/cell size, material composition, closed cells, open cells, surface treatments, or combinations thereof. The plurality of layers may be bonded together, e.g. e.g., using an adhesive, by flame bonding, or by other suitable methods or mechanisms such as those discussed herein. The different properties of the reinforcement material can provide a varied distribution of the airgel through the layers. For example, the open cell portion of the reinforcement material can include an airgel scaffold while the closed cell portion remains substantially free of airgel. Similarly, other material properties of the reinforcement material or layers thereof can determine the distribution of the airgel within the reinforcement and thus within the reinforced airgel composition.

In einigen Ausführungsbeispielen können verstärkte Aerogel-Zusammensetzungen, in denen mindestens ein Abschnitt des Verstärkungsmaterials kein Aerogel enthält, unter Verwendung von hierin offenbarten Verfahren gebildet werden, in denen die Eigenschaften des Verstärkungsmaterials oder von Verstärkungsschichten oder das Verstärkungsmaterial die Menge der Vorläuferlösung steuern oder beeinflussen, die das Material oder die Schicht ausfüllt, z. B. während des Gießprozesses, um eine teilweise Befüllung des Verstärkungsmaterials mit Vorläuferlösung bereitzustellen. Zum Beispiel kann eine Schicht der Verstärkung offene Zellen aufweisen und eine andere Schicht der Verstärkung kann geschlossene Zellen aufweisen. Wenn eine Vorläuferlösung mit einer solchen Verstärkung kombiniert wird, kann die Gelvorläuferlösung die offenen Zellen dieser Schicht infiltrieren, während sie die geschlossenen Zellen der anderen Schicht nicht wesentlich infiltriert. Wenn eine solche Zusammensetzung getrocknet wird, kann die resultierende verstärkte Aerogel-Zusammensetzung einen Abschnitt, z. B. die geschlossene Zellschicht, einschließen, der kein Aerogel enthält, während ein anderer Abschnitt, z. B. die offene Zellschicht, Aerogel enthält.In some embodiments, reinforced airgel compositions in which at least a portion of the reinforcement material does not contain airgel can be formed using methods disclosed herein in which the properties of the reinforcement material or reinforcement layers or the reinforcement material control or affect the amount of the precursor solution that fills the material or layer, e.g. B. during the casting process to provide a partial filling of the reinforcement material with precursor solution. For example, one layer of reinforcement may have open cells and another layer of reinforcement may have closed cells. When a precursor solution is combined with such reinforcement, the gel precursor solution can infiltrate the open cells of this layer while not significantly infiltrating the closed cells of the other layer. When such a composition is dried, the resulting reinforced airgel composition may have a section, e.g. the closed cell layer, which does not contain airgel, while another portion, e.g. B. the open cell layer, contains airgel.

In einigen Ausführungsformen können die hierin offenbarten Zusatzstoffe (z. B. endotherme Zusatzstoffe, Trübstoffe, Brandschutzzusatzstoffe oder andere Zusatzstoffe) heterogen innerhalb der verstärkten Aerogel-Zusammensetzung dispergiert sein. Zum Beispiel kann das Zusatzstoffmaterial durch die Dicke oder entlang der Länge und/oder Breite der Aerogel-Zusammensetzung variieren. Zum Beispiel kann der Zusatzstoff auf einer Seite der Aerogel-Zusammensetzung akkumuliert werden. In einigen Ausführungsformen können das oder die Zusatzstoffmaterial(ien) in einer Schicht des Aerogel-Verbundstoffs konzentriert sein oder als separate Schicht bereitgestellt werden, die im Wesentlichen aus dem an den Verbundstoff benachbarten oder daran befestigten Zusatzstoff besteht. Zum Beispiel kann das Wärmesteuerelement eine Schicht einschließen, die im Wesentlichen aus einem endothermen Material, wie Gips, Natriumbicarbonat, Zement auf Magnesiabasis, besteht. In weiteren Ausführungsbeispielen kann die Aerogel-Zusammensetzung auch mindestens eine Schicht aus zusätzlichem Material einschließen, entweder innerhalb der Zusammensetzung oder als eine Deckschicht. Zum Beispiel kann die Schicht eine Schicht sein, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus einer Polymerlage, einer Metalllage, einer Faserlage, einem hochorientierten Graphitmaterial, z. B. einer pyrolytischen Graphitlage und einer Gewebelage. In einigen Ausführungsformen kann die Deckschicht an der Zusammensetzung befestigt werden, z. B. durch einen ausgewählten Klebstoffmechanismus. Beispielhafte Klebstoffmechanismen schließen ein, sind aber nicht beschränkt auf, einen Aerosol-Klebstoff, einen Klebstoff auf Urethanbasis, einen Acrylatkleber, einen Schmelzklebstoff, ein Epoxid, einen Gummiharzklebstoff; einen Polyurethan-Verbundklebstoff und Kombinationen davon. In einigen Ausführungsformen kann die Deckschicht durch einen Nicht-Klebstoffmechanismus an der Zusammensetzung befestigt werden. Beispielhafte Nicht-Klebstoffmechanismen schließen ein, sind aber nicht beschränkt auf: Flammenbindung, Vernadeln, Nähen, Dichtungsbeutel, Nieten, Knöpfe, Klemmen, Umhüllungen, Klammern und Kombinationen davon. In einigen Ausführungsformen kann eine Kombination aus einem der vorstehend genannten Klebstoff- und Nicht-Klebstoffmechanismen verwendet werden, um eine Deckschicht an der Zusammensetzung zu befestigen.In some embodiments, the additives disclosed herein (e.g., endothermic additives, opacifiers, fire retardant additives, or other additives) may be heterogeneously dispersed throughout the reinforced airgel composition. For example, the additive material can vary through the thickness or along the length and/or width of the airgel composition. For example, the additive can be accumulated on one side of the airgel composition. In some embodiments, the additive material(s) may be concentrated in one layer of the airgel composite or provided as a separate layer consisting essentially of the additive adjacent to or attached to the composite. For example, the thermal control element may include a layer consisting essentially of an endothermic material such as gypsum, sodium bicarbonate, magnesia-based cement. In further embodiments, the airgel composition can also include at least one layer of additional material, either within the composition or as a top layer. For example, the layer may be a layer selected from the group consisting of a polymer sheet, a metal sheet, a fibrous sheet, a highly oriented graphite material, e.g. B. a pyrolytic graphite layer and a fabric layer. In some embodiments, the cover layer can be attached to the composition, e.g. B. by a selected adhesive mechanism. Exemplary adhesive mechanisms include, but are not limited to, an aerosol adhesive, a urethane-based adhesive, an acrylate adhesive, a hot-melt adhesive, an epoxy, a rubber-resin adhesive; a polyurethane composite adhesive and combinations thereof. In some embodiments, the cover sheet may be attached to the composition by a non-adhesive mechanism. Exemplary non-adhesive mechanisms include, but are not limited to: flame bonding, needling, sewing, sealing bags, rivets, buttons, clips, wraps, clips, and combinations thereof. In some embodiments, a combination of any of the above adhesive and non-adhesive mechanisms can be used to attach a cover sheet to the composition.

Pulverförmige Aerogel-ZusammensetzungenPowdered airgel compositions

Wie hierin erörtert, können Aerogel-Zusammensetzungen oder Verbundstoffe Materialien einschließen, die Aerogel-Partikel, Aerogel-Teilchen, -Granulat, -Perlen oder -Pulver in ein festes oder halbfestes Material integrieren, wie in Verbindung mit Bindemitteln wie Klebstoffen, Harzen, Zementen, Schäumen, Polymeren oder ähnlichen festen oder sich verfestigenden Materialien. Zum Beispiel können Aerogel-Zusammensetzungen ein Verstärkungsmaterial, Aerogel-Teilchen und optional ein Bindemittel einschließen. In Ausführungsbeispielen kann eine Aufschlämmung mit Aerogel-Teilchen und mindestens einer Art von Benetzungsmittel bereitgestellt werden. Zum Beispiel können die Aerogel-Teilchen mit mindestens einem Benetzungsmittel, wie einem Tensid oder Dispergiermittel, beschichtet oder benetzt werden. Die Aerogel-Teilchen können vollständig benetzt, teilweise benetzt (z. B. Oberflächenbenetzung) oder in einer Aufschlämmung vorhanden sein. Das bevorzugte Benetzungsmittel ist in der Lage, eine geeignete Rückgewinnung der Hydrophobizität hydrophober Aerogel-Teilchen zu ermöglichen. Wenn das Benetzungsmittel auf der Oberfläche der Aerogel-Teilchen verbleibt, kann das verbleibende Benetzungsmittel zur Gesamtwärmeleitfähigkeit des Verbundmaterials beitragen. Somit ist das bevorzugte Benetzungsmittel eines, das entfernbar ist, wie durch Verflüchtigung mit oder ohne Zersetzung oder andere Mittel. Im Allgemeinen kann ein beliebiges Benetzungsmittel verwendet werden, das mit dem Aerogel kompatibel ist.As discussed herein, airgel compositions or composites can include materials that incorporate airgel particles, particles, granules, beads, or powder into a solid or semi-solid material, such as in conjunction with binding agents such as adhesives, resins, cements, Foams, polymers or similar solid or solidifying materials. For example, airgel compositions can include a reinforcement material, airgel particles, and optionally a binder. In exemplary embodiments, a slurry containing airgel particles and at least one type of wetting agent can be provided. For example, the airgel particles can be coated or wetted with at least one wetting agent, such as a surfactant or dispersant. The airgel particles can be fully wetted, partially wetted (e.g., surface wetted), or present in a slurry. The preferred wetting agent is capable of allowing a suitable recovery of hydrophobicity of hydrophobic airgel particles. If the wetting agent remains on the surface of the airgel particles, the remaining wetting agent can contribute to the overall thermal conductivity of the composite. Thus, the preferred wetting agent is one that is removable, such as by volatilization with or without decomposition or other means. In general, any wetting agent that is compatible with the airgel can be used.

Benetzungsmittelwetting agent

Die mit einem Benetzungsmittel beschichtete Aufschlämmung oder Aerogel können als Möglichkeit nützlich sein, um hydrophobes Aerogel in eine Vielzahl von Materialien, wie anderen wässrigen Flüssigkeiten, Aufschlämmungen, Klebstoffen, Bindemittelmaterialien, einzuführen, die wahlweise aushärten können, um feste Materialien, Fasern, metallisierte Fasern, diskrete Fasern, Gewebematerialien, Vliesmaterialien, Nadelvliesstoffe, Wattierungen, Bahnen, Matten, Filze und Kombinationen davon zu bilden. Das Aerogel, das mit mindestens einem Benetzungsmittel oder der Aufschlämmung, die das Aerogel mit mindestens einem Benetzungsmittel enthält, benetzt, ermöglicht die einfache Einführung und gleichmäßige Verteilung des hydrophoben Aerogels. Nassgelegte Prozesse, wie die in US-Pat. Nr. 9,399,864 ; 8,021,583 ; 7,635,411 ; und 5,399,422 (jeweils in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme hierin aufgenommen) beschriebenen, verwenden eine wässrige Aufschlämmung, um Aerogel-Teilchen, Fasern und andere Zusatzstoffe zu dispergieren. Die Aufschlämmung kann dann entwässert werden, um eine Schicht von Aerogel-Teilchen, Fasern und Zusatzstoffen zu bilden, die getrocknet und optional kalandriert werden können, um einen Aerogel-Verbundstoff herzustellen.The slurry or airgel coated with a wetting agent can be useful as a way to introduce hydrophobic airgel into a variety of materials such as other aqueous liquids, slurries, adhesives, binder materials that can optionally harden to form solid materials, fibers, metallized fibers, to form discrete fibers, woven materials, nonwoven materials, needle punched nonwovens, battings, webs, mats, felts, and combinations thereof. The airgel wetting with at least one wetting agent or the slurry containing the airgel with at least one wetting agent allows easy introduction and even distribution of the hydrophobic airgel. Wet-laid processes, such as those in US Pat. No. 9,399,864 ; 8,021,583 ; 7,635,411 ; and 5,399,422 (each incorporated herein by reference in its entirety) use an aqueous slurry to disperse airgel particles, fibers and other additives. The slurry can then be dewatered to form a sheet of airgel particles, fibers and additives that can be dried and optionally calendered to produce an airgel composite.

Aerogel-Teilchen und ZusatzstoffeAirgel particles and additives

In anderen Ausführungsformen können Aerogel-Zusammensetzungen Aerogel-Teilchen, mindestens ein anorganisches Matrixmaterial und optional Fasern, Hilfsmaterialien, Zusatzstoffe und weitere anorganische Bindemittel einschließen. Das anorganische Matrixmaterial kann in einigen Ausführungsformen Schichtsilikate, z. B. natürlich vorkommende Schichtsilikate, wie Kaoline, Tone oder Bentonite, synthetische Schichtsilikate wie Magadit oder Kenyit oder Mischungen davon einschließen. Die Schichtsilikate können gebrannt oder nicht gebrannt sein, z. B. um die Materialien zu trocknen und das Kristallwasser abzutreiben. Das anorganische Matrixmaterial kann in einigen Ausführungsformen auch anorganische Bindemittel, wie Zement, Kalk, Gips oder geeignete Mischungen davon, in Kombination mit Schichtsilikaten einschließen. Das anorganische Matrixmaterial kann in einigen Ausführungsformen auch andere anorganische Zusatzstoffe einschließen, wie Brandschutzzusatzstoffe, Trübungsmittel oder Kombinationen davon, die hierin offenbart sind. Beispielhafte Prozesse und Aerogel-Zusammensetzungen einschließlich anorganischer Matrixmaterialien sind in US-Pat. Nr. 6,143,400 ; 6,083,619 (jeweils in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme hierin aufgenommen) offenbart. In einigen Ausführungsformen können Aerogel-Zusammensetzungen Aerogel-Teilchen einschließen, die auf Gewebematerialien, Vliesmaterialien, Nadelvliesstoffen, Wattierungen, Bahnen, Matten, Filzen und Kombinationen davon beschichtet oder absorbiert werden. Klebstoffbindemittel können in der Zusammensetzung eingeschlossen sein. Zusatzstoffe wie Brandschutzzusatzstoffe, Trübungsmittel oder Kombinationen davon, wie hierin offenbart, können ebenfalls eingeschlossen sein. Beispielhafte Prozesse und auf Gewebe beschichtete oder darin absorbierte Aerogel-Zusammensetzungen sind in US-Pat. Veröff.- Nr. 2019/0264381A1 (das in seiner Gesamtheit durch Bezugnahme hierin aufgenommen wird) offenbart.In other embodiments, airgel compositions can include airgel particles, at least one inorganic matrix material, and optionally fibers, auxiliary materials, additives, and other inorganic binders. In some embodiments, the inorganic matrix material may be layered silicates, e.g. B. include naturally occurring layered silicates such as kaolins, clays or bentonites, synthetic layered silicates such as magadite or kenyite or mixtures thereof. The layered silicates can be fired or unfired, e.g. B. to dry the materials and drive off the water of crystallization. In some embodiments, the inorganic matrix material may also include inorganic binders, such as cement, lime, gypsum, or suitable mixtures thereof, in combination with layered silicates. In some embodiments, the inorganic matrix material may also include other inorganic additives, such as fire retardant additives, opacifiers, or combinations thereof disclosed herein. Exemplary processes and airgel compositions including inorganic matrix materials are in US Pat. No. 6,143,400 ; 6,083,619 (each incorporated herein by reference in its entirety). In some embodiments, airgel compositions can include airgel particles coated or absorbed onto woven materials, nonwoven materials, needle punched nonwoven materials, battings, webs, mats, felts, and combinations thereof. Adhesive binders can be included in the composition. Additives such as fire retardant additives, opacifiers, or combinations thereof as disclosed herein may also be included. Exemplary processes and airgel compositions coated onto or absorbed into fabric are described in US Pat. Pub. No. 2019/0264381A1 (which is incorporated herein by reference in its entirety).

Wie hierin erörtert, können Aerogel-Verbundstoffe laminiert sein oder mit anderen Materialien, wie Verstärkungsschichten von Deckmaterialien, als Fläche versehen sein. In einer Ausführungsform stellt die vorliegende Offenbarung ein mehrschichtiges Laminat bereit, das mindestens eine Basisschicht umfasst, die eine verstärkte Aerogel-Zusammensetzung und mindestens eine Deckschicht einschließt. In einer Ausfuhrungsform umfasst die Deckschicht ein Verstärkungsmaterial. In einer Ausfuhrungsform ist die verstärkte Aerogel-Zusammensetzung mit einer Faserverstärkungsschicht oder einer offenzelligen Schaumverstärkungsschicht verstärkt. In einer Ausführungsform stellt die vorliegende Offenbarung ein mehrschichtiges Laminat bereit, das eine Basisschicht umfasst, die eine verstärkte Aerogel-Zusammensetzung umfasst, und mindestens zwei Deckschichten, die Verstärkungsmaterialien umfassen, wobei die zwei Deckschichten auf gegenüberliegenden Oberflächen der Basisschicht liegen. Zum Beispiel kann der mehrschichtige Aerogel-Laminatverbundstoff gemäß den in der US-Patentanmeldung 2007/0173157 beschriebenen Verfahren und Materialien hergestellt werden.As discussed herein, airgel composites may be laminated or faced with other materials such as reinforcing layers of cover materials. In one embodiment, the present disclosure provides a multi-layer laminate comprising at least one base layer that includes a reinforced airgel composition and at least one top layer. In one embodiment, the cover layer comprises a reinforcement material. In one embodiment, the reinforced airgel composition is reinforced with a fiber reinforcement layer or an open cell foam reinforcement layer. In one embodiment, the present disclosure provides a multi-layer laminate comprising a base layer comprising a reinforced airgel composition and at least two cover layers comprising reinforcement materials, wherein the two cover layers are on opposite surfaces of the base layer. For example, the multilayer airgel laminate composite can be made according to the methods disclosed in US Pat US patent application 2007/0173157 described methods and materials are produced.

Die Deckschicht kann Materialien umfassen, die der endgültigen Verbundstruktur spezifische Eigenschaften verleihen, wie eine verbesserte Flexibilität oder verringerte Staubbildung. Die Deckmaterialien können steif oder flexibel sein. Die Deckmaterialien können leitfähige Schichten oder reflektierende Folien einschließen. Zum Beispiel können die Deckmaterialien metallische oder metallisierte Materialien einschließen. Die Deckmaterialien können Vliesmaterialien einschließen. Die Deckschichten können ausgewählt werden, um die Isolierschicht vor dielektrischen Flüssigkeiten wie dielektrischen Kohlenwasserstoff-Kühlfluida und fluorierten dielektrischen Kühlfluida zu schützen. Die Deckschichten können auf einer Oberfläche der Verbundstruktur oder der verstärkten Aerogel-Verbundstoffe angeordnet sein, welche die Verbundstruktur bilden, z. B. das Wärmesteuerelement. Die Deckschichten können eine kontinuierliche Beschichtung oder einen kontinuierlichen Beutel um die Verbundstruktur oder die verstärkten Aerogel-Verbundstoffe bilden, welche die Verbundstruktur bilden, z. B. das Wärmesteuerelement. In einigen Ausführungsformen können die Deckschicht oder -schichten die Verbundstruktur oder die verstärkten Aerogel-Verbundstoffe, welche die Verbundstruktur bilden, einkapseln.The top layer may include materials that impart specific properties to the final composite structure, such as improved flexibility or reduced dusting. The cover materials can be rigid or flexible. The cover materials can include conductive layers or reflective foils. For example, the cover materials can include metallic or metallized materials. The cover materials can include nonwoven materials. The cover layers can be selected to protect the insulating layer from dielectric liquids such as hydrocarbon dielectric coolant fluids and fluorinated coolant dielectric fluids. The skin layers may be disposed on a surface of the composite structure or reinforced airgel composites forming the composite structure, e.g. B. the thermal control element. The skin layers may form a continuous coating or pouch around the composite structure or the reinforced airgel composites forming the composite structure, e.g. B. the thermal control element. In some embodiments, the skin layer or layers may encapsulate the composite structure or reinforced airgel composites that form the composite structure.

In einer Ausführungsform umfasst die Deckschicht eine Polymerlage, welche die isolierende Schicht umgibt; insbesondere ein Polymermaterial, umfassend Polyester, Polyethylene, Polyurethane, Polypropylene, Polyacrylnitrile, Polyamide, Aramide; und insbesondere Polymere wie Polyethylenterphthalat, Polyethylen niedriger Dichte, Ethylen-Propylen-Copolymere, Poly-(4-methylpentan), Polytetrafluorethylen, Poly-(1-buten), Polystyrol, Polyvinylacetat, Polyvinylchlorid, Polyvinylidenchlorid, Polyvinylfluorid, Polyvinylacrylonitril, Polymethylmethacrylat, Polyoxymethylen, Polyphenylensulfon, Cellulosetriacetat, Polycarbonat, Polyethylennaphthalat, Polycaprolactam, Polyhexamethylenadipamid, Polyundecanoamid, Polyimid oder Kombinationen davon. In einer Ausführungsform umfasst oder besteht die Polymerlage im Wesentlichen aus einem expandierten Polymermaterial; insbesondere einem expandierten Polymermaterial, das PTFE (ePTFE), expandiertes Polypropylen (ePP), expandiertes Polyethylen (ePE), expandiertes Polystyrol (ePS) oder Kombinationen davon umfasst. In einer bevorzugten Ausführungsform besteht das Deckmaterial im Wesentlichen aus einem expandierten Polymermaterial. In einer Ausführungsform umfasst oder besteht die Polymerlage im Wesentlichen aus einem mikroporösen Polymermaterial, das durch eine Porengröße im Bereich von 0,1 µm bis 210 µm, 0,1 µm bis 115 µm, 0,1 µm bis 15 µm oder 0,1 µm bis 0,6 µm gekennzeichnet ist.In one embodiment, the cover layer comprises a polymer layer surrounding the insulating layer; in particular a polymeric material comprising polyesters, polyethylenes, polyurethanes, polypropylenes, polyacrylonitriles, polyamides, aramids; and in particular polymers such as polyethylene terephthalate, low density polyethylene, ethylene-propylene copolymers, poly(4-methylpentane), polytetrafluoroethylene, poly(1-butene), polystyrene, polyvinyl acetate, polyvinyl chloride, polyvinylidene chloride, polyvinyl fluoride, polyvinylacrylonitrile, polymethyl methacrylate, polyoxymethylene, Polyphenylene sulfone, cellulose triacetate, polycarbonate, polyethylene naphthalate, polycaprolactam, polyhexamethylene adipamide, polyundecanoamide, polyimide, or combinations thereof. In one embodiment, the polymeric layer comprises or consists essentially of an expanded polymeric material; in particular an expanded polymeric material comprising PTFE (ePTFE), expanded polypropylene (ePP), expanded polyethylene (ePE), expanded polystyrene (ePS) or combinations thereof. In a preferred embodiment, the cover material consists essentially of an expanded polymeric material. In one embodiment, the polymeric layer comprises or consists essentially of a microporous polymeric material characterized by a pore size in the range of 0.1 µm to 210 µm, 0.1 µm to 115 µm, 0.1 µm to 15 µm or 0.1 µm is marked up to 0.6 µm.

In einer Ausführungsform umfasst oder besteht das Deckschichtmaterial im Wesentlichen aus einem Fluorpolymermaterial. Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung beziehen sich die Begriffe „Fluorpolymerer“ oder „Fluorpolymermaterial“ auf Materialien, die hauptsächlich aus polymeren Fluorkohlenwasserstoffen bestehen. Geeignete fluorpolymere Deckschichtmaterialien schließen ein, sind aber nicht beschränkt auf: Polytetrafluorethylen (PTFE), einschließlich mikroporöser PTFE, beschrieben in US-Patent 5,814,405 und expandiertem PTFE (ePTFE) wie Gore-Tex® (erhältlich von W.L. Gore); Polyvinylfluorid (PVF); Polyvinylidenfluorid (PVDF); Perfluoralkoxy (PFA); fluoriertes Ethylen-Propylen (FEP); Polychlortrifluorethylen (PCTFE); Ethylentetrafluorethylen (ETFE); Polyvinylidenfluorid (PVDF); Ethylenchlortrifluorethylen (ECTFE); und Kombinationen davon. In einer bevorzugten Ausführungsform besteht das Deckmaterial im Wesentlichen aus einem fluorpolymeren Material. In einer bevorzugten Ausführungsform besteht das Deckmaterial im Wesentlichen aus einem expandierten PTFE (ePTFE)-Material.In one embodiment, the topsheet material comprises or consists essentially of a fluoropolymer material. As used herein, the terms “fluoropolymer” or “fluoropolymer material” refer to materials composed primarily of polymeric fluorocarbons. Suitable fluoropolymer skin materials include, but are not limited to: polytetrafluoroethylene (PTFE), including microporous PTFE, described in U.S. Patent 5,814,405 and expanded PTFE (ePTFE) such as Gore-Tex® (available from WL Gore); polyvinyl fluoride (PVF); polyvinylidene fluoride (PVDF); perfluoroalkoxy (PFA); fluorinated ethylene propylene (FEP); polychlorotrifluoroethylene (PCTFE); ethylene tetrafluoroethylene (ETFE); polyvinylidene fluoride (PVDF); ethylene chlorotrifluoroethylene (ECTFE); and combinations thereof. In a preferred embodiment, the cover material consists essentially of a fluoropolymer material. In a preferred embodiment, the cover material consists essentially of an expanded PTFE (ePTFE) material.

In einer Ausführungsform umfasst oder besteht das Deckschichtmaterial im Wesentlichen aus einem Nicht-Fluorpolymermaterial. Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung beziehen sich die Begriffe „Nicht-Fluorpolymer-“ oder „Nicht-Fluorpolymermaterial“ auf Materialien, die kein fluorpolymeres Material umfassen. Geeignete nicht-fluorpolymerseitige Schichtmaterialien schließen ein, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein: aluminisiertes Mylar; Polyethylen niedriger Dichte, wie Tyvek® (erhältlich von DuPont); Gummi- oder Gummizusammensetzungen; Vliesmaterialien, elastische Fasern, wie Spandex, Nylon, Lycra oder Elastan; und Kombinationen davon. In einer Ausführungsform ist das Deckmaterial ein flexibles Deckmaterial.In one embodiment, the topsheet material comprises or consists essentially of a non-fluoropolymer material. As used herein, the terms "non-fluoropolymer" or "non-fluoropolymer material" refer to materials that do not include a fluoropolymer material. Suitable non-fluoropolymer side sheet materials include, but are not limited to: aluminized mylar; low density polyethylene such as Tyvek® (available from DuPont); gum or gum compositions; non-woven materials, elastic fibers such as spandex, nylon, lycra or elastane; and combinations thereof. In one embodiment, the cover material is a flexible cover material.

In einigen Ausführungsformen kann das Deckschichtmaterial Automobilharze und Polymere einschließen, wie solche, die eine maximale Gebrauchstemperatur bis etwa 100 C, bis etwa 120 C oder bis etwa 150 C aufweisen. Zum Beispiel kann das Deckschichtmaterial Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) -Polycarbonat-ABS, Polypropylen, Polyurethan, Polystyrol, Polyethylen, Polycarbonat, Polyimide, Polyamide, PVC oder Kombinationen davon einschließen. Zum Beispiel können Aerogel-Verbundstoffe und Wärmesteuerelemente gemäß hierin offenbarten Ausführungsformen Schichten von Automobilharzen oder Automobilpolymeren, metallischen oder metallisierten Schichten und Aerogel-Schichten einschließen.In some embodiments, the topcoat material may include automotive resins and polymers, such as those having a maximum service temperature of up to about 100°C, up to about 120°C, or up to about 150°C. For example, the topsheet material may include acrylonitrile butadiene styrene (ABS) polycarbonate ABS, polypropylene, polyurethane, polystyrene, polyethylene, polycarbonate, polyimides, polyamides, PVC, or combinations thereof. For example, airgel composites and thermal control elements according to embodiments disclosed herein may include layers of automotive resins or automotive polymers, metallic or metallized layers, and airgel layers.

Die Deckschicht kann durch Verwendung von Klebstoffen an der Isolierschicht befestigt werden, die geeignet sind, um anorganische oder organische Deckmaterialien an dem Verstärkungsmaterial der Basisschicht zu befestigen. Beispiele für Klebstoffe, die in der vorliegenden Offenbarung verwendet werden können, schließen ein, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein: Klebstoffe auf Zementbasis, Natriumsilikate, Latizes, druckempfindliche Klebstoffe, Silikon, Polystyrol, Aerosol-Klebstoffe, Urethan, Acrylatklebstoffe, Heißschmelzbindungssysteme, Bindungssysteme, die im Handel von 3M erhältlich sind, Epoxid, Gummiharzklebstoffe, Polyurethan-Klebstoffmischungen, wie diejenigen, die in US-Patent 4,532,316 beschrieben sind.The cover layer may be attached to the insulating layer using adhesives suitable for bonding inorganic or organic cover materials to the reinforcing mat rial to attach the base layer. Examples of adhesives that can be used in the present disclosure include, but are not limited to: cement based adhesives, sodium silicates, latices, pressure sensitive adhesives, silicone, polystyrene, aerosol adhesives, urethane, acrylate adhesives, hot melt bonding systems, bonding systems, commercially available from 3M, epoxy, rubber resin adhesives, polyurethane adhesive blends such as those listed in U.S. Patent 4,532,316 are described.

Die Deckschicht kann auch unter Verwendung von nicht klebenden Materialien oder Techniken, die geeignet sind, anorganische oder organische Deckmaterialien an dem Verstärkungsmaterial der Basisschicht zu befestigen, an der Isolierschicht befestigt sein. Beispiele für nicht klebende Materialien oder Techniken, die in der vorliegenden Offenbarung verwendet werden können, schließen ein, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein: Heißsiegeln, Ultraschallnähen, HF-Siegeln, Nähen oder Fädeln, Vernadeln, Dichtungsbeutel, Nieten oder Knöpfe, Klemmen, Umhüllungen oder andere nicht klebende Laminierungsmaterialien.The cover layer may also be attached to the insulating layer using non-adhesive materials or techniques suitable for attaching inorganic or organic cover materials to the base layer backing material. Examples of non-adhesive materials or techniques that can be used in the present disclosure include, but are not limited to: heat sealing, ultrasonic stitching, RF sealing, stitching or threading, needling, sealing bags, rivets or buttons, clips, overwraps or other non-adhesive laminating materials.

Die Deckschicht kann in einer beliebigen Herstellungsstufe des Aerogel-Verbundmaterials an der Isolierschicht befestigt werden. In einer Ausführungsform wird die Deckschicht nach Infusion der Sol-Gel-Lösung in ein Basisverstärkungsmaterial, jedoch vor der Gelierung, an der Isolierschicht befestigt. In einer anderen Ausführungsform wird die Deckschicht nach Infusion der Sol-Gel-Lösung in ein Basisverstärkungsmaterial und nach anschließender Gelierung, jedoch vor der Alterung oder Trocknung des Gelmaterials, an der Isolierschicht befestigt. In noch einer anderen Ausführungsform wird die Deckschicht nach dem Altern und Trocknen des Gelmaterials an der Isolierschicht befestigt. In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Deckschicht vor Infusion der Sol-Gel-Lösung in das Basisverstärkungsmaterial an dem Verstärkungsmaterial der Basisschicht befestigt. Die Deckschicht kann fest und fluidundurchlässig sein.The cover sheet may be attached to the insulating sheet at any stage of manufacture of the airgel composite. In one embodiment, the topsheet is attached to the insulating layer after infusion of the sol-gel solution into a base backing material, but prior to gelation. In another embodiment, after the sol-gel solution has been infused into a base backing material and subsequently gelled, but before the gel material is aged or dried, the cover sheet is attached to the insulating sheet. In yet another embodiment, the cover layer is affixed to the insulating layer after the gel material has aged and dried. In a preferred embodiment, the topsheet is affixed to the basesheet backing material prior to infusing the sol-gel solution into the base backing material. The topsheet can be rigid and fluid impervious.

Vorzugsweise ist die Deckschicht inert gegenüber Kühlfluida, die zum Kühlen eines Batteriemoduls oder Batteriepacks verwendet werden. Wie später ausführlicher erörtert wird, kann die Isolierschicht einem Kühlfluid (Flüssigkeit oder Gas) ausgesetzt sein, das durch die komprimierbare Schicht strömen kann. Um eine chemische Modifikation der Isolierschicht zu hemmen oder zu verhindern, kann die Deckschicht die Isolierschicht umgeben und aus einem Material gebildet sein, das gegenüber dem verwendeten Kühlfluid inert ist. Wenn zum Beispiel ein dielektrisches Kohlenwasserstoff-Kühlfluid verwendet wird, kann die Deckschicht aus einem Material gebildet sein, das chemisch inert gegenüber dem dielektrischen Kohlenwasserstoff-Kühlfluid ist. Alternativ kann, wenn ein fluoriertes dielektrisches Kühlfluid verwendet wird, die Deckschicht aus einem Material gebildet sein, das chemisch inert gegenüber einem fluorierten dielektrischen Kühlfluid ist.Preferably, the cover layer is inert to cooling fluids used to cool a battery module or battery pack. As discussed in more detail later, the insulating layer may be exposed to a cooling fluid (liquid or gas) that may flow through the compressible layer. To inhibit or prevent chemical modification of the insulating layer, the cover layer may surround the insulating layer and be formed of a material that is inert to the cooling fluid used. For example, if a hydrocarbon dielectric cooling fluid is used, the cover layer may be formed of a material that is chemically inert to the hydrocarbon dielectric cooling fluid. Alternatively, if a fluorinated dielectric cooling fluid is used, the cover layer may be formed from a material that is chemically inert to a fluorinated dielectric cooling fluid.

Trübungsmittelopacifier

Aerogel-Zusammensetzungen können ein Trübungsmittel einschließen, um die Strahlungskomponente der Wärmeübertragung zu reduzieren. An jedem Punkt vor der Gelbildung können Trübungsverbindungen oder Vorläufer davon in die Mischung dispergiert werden, die Gelvorläufer umfasst. Beispiele für Trübungsverbindungen schließen Borcarbid (B4C), Diatomit, Manganferrit, MnO, NiO, SnO, Ag₂O, Bi₂O₃, Ruß, Graphit, Titanoxid, Eisen-Titanoxid, Aluminiumoxid, Zirkonsilikat, Zirkonoxid, Eisen(II)-Oxid, Eisen(III)-Oxid, Mangandioxid, Eisentitanoxid (Ilmenit), Chromoxid, Carbide (wie SiC, TiC oder WC) oder Mischungen davon ein. Zu Beispielen für Trübungsverbindungsvorläufer gehören, ohne darauf beschränkt zu sein, TiOSO₄ oder TiOCl₂. In einigen Ausführungsformen können die als Zusatzstoffe verwendeten Trübungsverbindungen Whisker oder Fasern von Siliciumcarbid ausschließen. Wenn Aerogel-Zusammensetzungen zur Verwendung in elektrischen Vorrichtungen bestimmt sind, z. B. in Batterien als Barriereschicht oder anderen verwandten Anwendungen, kann die Zusammensetzung, die einen Trübungsmittel einschließt, wünschenswerterweise eine hohe dielektrische Festigkeit mit hohem Volumen- und Oberflächenwiderstandsvermögen besitzen. In solchen Ausführungsformen können Kohlenstoffzusatzstoffe, die als Trübungsmittel verwendet werden, nicht leitfähig oder modifiziert sein, um die elektrische Leitfähigkeit zu verringern. Zum Beispiel kann das Trübungsmittel oberflächenoxidiert sein, um die elektrische Leitfähigkeit zu verringern. In einigen Ausführungsformen können kohlenstoffhaltige Zusatzstoffe mit inhärenter elektrischer Leitfähigkeit als Trübungsmittel in Aerogel-Zusammensetzungen verwendet werden, die für die Verwendung in elektrischen Vorrichtungen bestimmt sind. In solchen Ausführungsformen können die leitfähigen kohlenstoffhaltigen Zusatzstoffe bei Konzentrationen unterhalb der Perkolationsschwelle verwendet werden, um eine Zusammensetzung mit einer geeigneten dielektrischen Festigkeit zur Verwendung in einer elektrischen Vorrichtung bereitzustellen.Airgel compositions can include an opacifier to reduce the radiative component of heat transfer. At any point prior to gelation, opacifying compounds or precursors thereof may be dispersed into the mixture comprising gel precursors. Examples of opacifying compounds include boron carbide (B4C), diatomite, manganese ferrite, MnO, NiO, SnO, Ag ₂ O, Bi ₂ O ₃ , carbon black, graphite, titania, iron-titania, alumina, zirconium silicate, zirconia, ferrous oxide , ferric oxide, manganese dioxide, iron titanium oxide (ilmenite), chromium oxide, carbides (such as SiC, TiC or WC) or mixtures thereof. Examples of haze compound precursors include, but are not limited to, TiOSO ₄ or TiOCl ₂ . In some embodiments, the opacifying compounds used as additives can exclude whiskers or fibers of silicon carbide. When airgel compositions are intended for use in electrical devices, e.g. B. in batteries as a barrier layer or other related applications, the composition including an opacifier may desirably have a high dielectric strength with high volume and surface resistivity. In such embodiments, carbon additives used as opacifiers may be non-conductive or modified to reduce electrical conductivity. For example, the opacifier may be surface oxidized to reduce electrical conductivity. In some embodiments, carbonaceous additives with inherent electrical conductivity can be used as opacifiers in airgel compositions intended for use in electrical devices. In such embodiments, the conductive carbonaceous additives can be used at concentrations below the percolation threshold to provide a composition with a suitable dielectric strength for use in an electrical device.

Brandschutzzusatzstoffefire protection additives

Aerogel-Zusammensetzungen können einen oder mehrere Brandschutzzusatzstoffe enthalten. Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung bezieht sich der Begriff _„Brandschutzzusatzstoff“ auf ein Material, das im Zusammenhang mit einer Reaktion auf Feuer endotherm wirkt und in eine Aerogel-Zusammensetzung eingefügt werden kann. Ferner weisen in bestimmten Ausführungsformen Brandschutzzusatzstoffe einen Anfang der endothermen Zersetzung (ED) auf, der nicht mehr als 100 °C größer als der Anfang der thermischen Zersetzung (Td) der Aerogel-Zusammensetzung ist, in welcher der Brandklassenzusatzstoff vorhanden ist, und in bestimmten Ausführungsformen auch eine ED, die nicht mehr als 50 °C niedriger ist als die Td der Aerogel-Zusammensetzung, in welcher der Brandklassenzusatzstoff vorhanden ist. Mit anderen Worten weist die ED der Brandschutzzusatzstoffe einen Bereich von (T_d - 50 °C) bis (T_d + 100 °C) auf $$E_{D\{\begin{array}{c}max:T_d+100°C\\ min:T_d-50°C\end{array}}$$

Airgel compositions may contain one or more flame retardant additives. As used in this disclosure, the term _" fire retardant additive" refers to a material which is endothermic in response to fire and can be incorporated into an airgel composition. Further, in certain embodiments, fire retardant additives have an onset of endothermic decomposition (ED) that is no more than 100°C greater than the onset of thermal decomposition (Td) of the airgel composition in which the fire class additive is present, and in certain embodiments also an ED no more than 50°C lower than the Td of the airgel composition in which the fire class additive is present. In other words, the ED of the fire protection additives has a range from (T _d - 50 °C) to (T _d + 100 °C). $$E_{D\{\begin{array}{c}max:T_{\mathrm{i.e}}+100°C\\ min:T_{\mathrm{i.e}}-50°C\end{array}}$$

Vor, gleichzeitig oder sogar nach der Aufnahme oder dem Mischen mit dem Sol (z. B. Siliciumdioxid-Sol, hergestellt aus Alkylsilikaten oder Wasserglas auf verschiedene Weise, wie im Stand der Technik verstanden), können Brandschutzzusatzstoffe mit einem Medium, das Ethanol und optional bis zu 10 Vol.-% Wasser einschließt, gemischt oder anderweitig dispergiert werden. Die Mischung kann gegebenenfalls gemischt und/oder gerührt werden, um eine im Wesentlichen gleichmäßige Dispersion von Zusatzstoffen im Medium zu erreichen. Ohne an eine Theorie gebunden zu sein, bietet die Verwendung einer hydratisierten Form der oben genannten Tone und anderer Brandschutzzusatzstoffe eine zusätzliche endotherme Wirkung. Zum Beispiel sind Haloysit-Ton (im Handel unter der Handelsbezeichnung DRAGONIT von Applied Minerals, Inc. oder von Imerys als Hallysit erhältlich), Kaolinit-Ton Aluminiumsilikat-Tone, die in hydratisierter Form eine endotherme Wirkung durch Freisetzung von Hydratationswasser bei erhöhten Temperaturen (Gasverdünnung) aufweisen. Als weiteres Beispiel können Carbonate in hydratisierter Form Kohlendioxid beim Erwärmen oder bei erhöhten Temperaturen freisetzen.Before, simultaneously or even after incorporation or mixing with the sol (e.g. silica sol prepared from alkyl silicates or waterglass in various ways as understood in the art), fire retardant additives can be mixed with a medium containing ethanol and optionally up to 10% by volume of water, mixed or otherwise dispersed. The mixture may optionally be mixed and/or agitated to achieve a substantially uniform dispersion of additives throughout the medium. Without being bound by theory, the use of a hydrated form of the above clays and other fire retardant additives provides an additional endothermic effect. For example, haloysite clay (commercially available under the trade designation DRAGONITE from Applied Minerals, Inc. or from Imerys as Hallysite), kaolinite clay are aluminosilicate clays which, when hydrated, exhibit an endothermic effect by releasing water of hydration at elevated temperatures (gas dilution ) exhibit. As another example, carbonates in hydrated form can liberate carbon dioxide upon heating or at elevated temperatures.

Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung bezieht sich der Begriff „Dehydratationswärme“ auf die Menge an Wärme, die erforderlich ist, um das Wasser (falls zutreffend) aus dem Material zu verdampfen, das in hydratisierter Form vorliegt, wenn es keinen erhöhten Temperaturen ausgesetzt ist. Die Dehydratationswärme wird üblicherweise auf einer Gewichtsbasis ausgedrückt.As used herein, the term “heat of dehydration” refers to the amount of heat required to evaporate the water (if any) from material that is in a hydrated form when not exposed to elevated temperatures. The heat of dehydration is usually expressed on a weight basis.

In bestimmten Ausführungsformen weisen Brandschutzzusatzstoffe der vorliegenden Offenbarung einen Anfang der thermischen Zersetzung von etwa 100 °C oder mehr, etwa 130 °C oder mehr, etwa 200 °C oder mehr, etwa 230 °C oder mehr, etwa 240 °C oder mehr, etwa 330 °C oder mehr, 350 °C oder mehr, etwa 400 °C oder mehr, etwa 415 °C oder mehr, etwa 425 °C oder mehr, etwa 450 °C oder mehr, etwa 500 °C oder mehr, etwa 550 °C oder mehr, etwa 600 °C oder mehr, etwa 650 °C oder mehr, etwa 700 °C oder mehr, etwa 750 °C oder mehr, etwa 800 °C oder mehr oder in einem Bereich zwischen zwei dieser Werte auf. In bestimmten Ausführungsformen weisen Brandschutzzusatzstoffe der vorliegenden Offenbarung einen Anfang der thermischen Zersetzung von etwa 440 °C oder 570 °C auf. In bestimmten Ausführungsformen weisen Brandschutzzusatzstoffe der vorliegenden Offenbarung einen Anfang der thermischen Zersetzung auf, der nicht mehr als 50 °C mehr oder weniger als die Td der Aerogel-Zusammensetzung (ohne den Brandschutzzusatzstoff) beträgt, in die der Brandschutzzusatzstoff aufgenommen wird, nicht mehr als 40 °C mehr oder weniger, nicht mehr als 30 °C mehr oder weniger, nicht mehr als 20 °C mehr oder weniger, nicht mehr als 10 °C, nicht mehr als 5 °C mehr oder weniger oder in einem Bereich zwischen zwei dieser WerteIn certain embodiments, fire retardant additives of the present disclosure have an onset of thermal decomposition of about 100°C or greater, about 130°C or greater, about 200°C or greater, about 230°C or greater, about 240°C or greater, about 330°C or greater, 350°C or greater, about 400°C or greater, about 415°C or greater, about 425°C or greater, about 450°C or greater, about 500°C or greater, about 550°C C or more, about 600°C or more, about 650°C or more, about 700°C or more, about 750°C or more, about 800°C or more or in a range between two of these values. In certain embodiments, fire retardant additives of the present disclosure have an onset of thermal decomposition of about 440°C or 570°C. In certain embodiments, fire retardant additives of the present disclosure have an onset of thermal decomposition that is no more than 50°C more or less than the Td of the airgel composition (without the fire retardant additive) into which the fire retardant additive is incorporated, no more than 40 °C more or less, not more than 30 °C more or less, not more than 20 °C more or less, not more than 10 °C, not more than 5 °C more or less or in a range between two of these values

Die Brandschutzzusatzstoffe dieser Offenbarung schließen Tonmaterialien ein, wie, ohne darauf beschränkt zu sein, Schichtsilikat-Tone (wie Illit), Kaolin oder Kaolinit (Aluminiumsilikat; Al₂Si₂O₅(OH)₄), Metakaolin, Halloysit (Aluminiumsilikat; Al₂Si₂O₅(OH)₄), Endellit (Aluminiumsilikat; Al₂Si₂O₅(OH)₄), Glimmer (Siliciumdioxidmineralien), Diaspor (Aluminiumoxidhydroxid; α-AlO (OH)), Gibbsit (Aluminiumhydroxid), Böhmit (Aluminiumoxidhydroxid; γ-AlO (OH)), Montmorillonit, Beidellit, Pyrophyllit (Aluminiumsilikat; A1₂Si₄O₁₀(OH)₂), Nontronit, Bravaisit, Smectit, Leverrierit, Rectorit, Celadonit, Attapulgit, Chloropal, Volkonskoit, Allophan, Racewinit, Dillnit, Severit, Miloschit, Collyrit, Cimolit und Newtonit, Natriumbicarbonat (NaHCO₃), Magnesiumhydroxid (oder Magnesiumdihydroxid, „MDH“), Auminatrihydrat („ATH“), Gips (Calciumsulfatdihydrat; CaSO_4·2H₂O), Barringtonit (MgCO₃·2 H₂O), Nesquehonit (MgCO₃·3 H₂O), Lansfordit (MgCO₃·5 H₂O), Hydromagnesit (hydratisiertes Magnesiumcarbonat; Mg₅(CO₃)₄(OH)₂·4H₂O), andere Carbonate wie, jedoch ohne Einschränkung, Dolomit und Lithiumcarbonat. Unter den Tonmaterialien verwenden bestimmte Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung Tonmaterialien, die mindestens eine teilweise geschichtete Struktur aufweisen. In bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung weisen Tonmaterialien als Brandschutzzusatzstoffe in den Aerogel-Zusammensetzungen mindestens etwas Wasser, wie in hydratisierter Form, auf. Die Zusatzstoffe können in hydratisierter kristalliner Form vorliegen oder können bei der Herstellung/Verarbeitung der Zusammensetzungen der vorliegenden Offenbarung hydratisiert werden. In bestimmten Ausführungsformen schließen Brandschutzzusatzstoffe auch niedrigschmelzende Zusatzstoffe ein, die Wärme ohne Änderung der chemischen Zusammensetzung absorbieren. Ein Beispiel für diese Klasse ist ein niedrigschmelzendes Glas, wie inerte Glasperlen. Andere Zusatzstoffe, die in den Zusammensetzungen der vorliegenden Offenbarung nützlich sein können, schließen, ohne darauf beschränkt zu sein, Wollastonit (Calciumsilikat) und Titandioxid (TiO₂) ein. In bestimmten Ausführungsformen können andere Zusatzstoffe Infrarot-Trübungsmittel einschließen, wie, aber nicht beschränkt auf Titandioxid oder Siliciumcarbid, Ceramidmittel, wie, aber nicht beschränkt auf niedrig schmelzende Glasfritte, Calciumsilikat oder Kohlebildner, wie, aber nicht beschränkt auf Phosphate und Sulfate. In bestimmten Ausführungsformen können Zusatzstoffe spezielle Verarbeitungsbetrachtungen erfordern, wie Techniken, um sicherzustellen, dass die Zusatzstoffe gleichmäßig verteilt und nicht stark agglomeriert werden, um Produktleistungsschwankungen zu verursachen. Die Verarbeitungstechniken können zusätzliche statische und dynamische Mischer, Stabilisatoren, Einstellung der Prozessbedingungen und sonstige im Stand der Technik bekannte einschließen.The fire retardant additives of this disclosure include clay materials such as, but not limited to, layered silicate clays (such as illite), kaolin or kaolinite (aluminum silicate; Al ₂ Si ₂ O ₅ (OH) ₄ ), metakaolin, halloysite (aluminum silicate; Al ₂ Si ₂ O ₅ (OH) ₄ ), endellite (aluminum silicate; Al ₂ Si ₂ O ₅ (OH) ₄ ), mica (silica minerals), diaspore (alumina hydroxide; α-AlO(OH)), gibbsite (aluminum hydroxide), boehmite ( Aluminum oxide hydroxide; γ-AlO (OH)), montmorillonite, beidellite, pyrophyllite (aluminum silicate; A1 ₂ Si ₄ O ₁₀ (OH) ₂ ), nontronite, bravaisite, smectite, leverrierite, rectorite, celadonite, attapulgite, chloropale, volkonskoite, allophane, Racewinite, dillnite, severite, miloschite, collyrite, cimolite and newtonite, sodium bicarbonate (NaHCO ₃ ), magnesium hydroxide (or magnesium dihydroxide, "MDH"), alumina trihydrate ("ATH"), gypsum (calcium sulfate dihydrate; CaSO ₄ 2H ₂ O), barringtonite (MgCO ₃ .2H ₂ O), nesquehonite (MgCO ₃ .3H ₂ O), lansfordite (MgCO ₃ .5H ₂ O), hydromagnesite (hydrated magnesium carbonate; Mg ₅ (CO ₃ ) ₄ (OH) ₂ .4H ₂ O), other carbonates such as, without limitation, dolomite and lithium carbonate. Among clay materials, certain embodiments of the present disclosure utilize clay materials that have at least a partially layered structure. In certain embodiments of the present disclosure, clay materials include at least some water, such as in hydrated form, as fire retardant additives in the airgel compositions. The additives can be in hydrated crystalline form or can be hydrated in the preparation/processing of the compositions of the present disclosure. In certain embodiments, fire retardant additives also include low melting point additives that absorb heat without change absorb the chemical composition. An example of this class is a low-melting glass, such as inert glass beads. Other additives that may be useful in the compositions of the present disclosure include, but are not limited to, wollastonite (calcium silicate) and titanium dioxide (TiO ₂ ). In certain embodiments, other additives may include infrared opacifiers such as but not limited to titanium dioxide or silicon carbide, ceramide agents such as but not limited to low melting point glass frit, calcium silicate, or char formers such as but not limited to phosphates and sulfates. In certain embodiments, additives may require special processing considerations, such as techniques to ensure the additives are evenly distributed and not severely agglomerated to cause product performance variations. Processing techniques may include additional static and dynamic mixers, stabilizers, adjustment of process conditions, and others known in the art.

Menge an Zusatzstoffenamount of additives

Die Menge an Zusatzstoffen in den hierin offenbarten Aerogel-Zusammensetzungen kann von den gewünschten Eigenschaften der Zusammensetzung abhängen. Die Menge an Zusatzstoffen, die während der Herstellung und Verarbeitung der Sol-Gel-Zusammensetzungen verwendet werden, wird üblicherweise als Gewichtsprozentsatz im Vergleich zu dem Siliciumdioxidgehalt des Sols bezeichnet. Die Menge an Zusatzstoffen im Sol kann von etwa 5 Gew.-% bis etwa 70 Gew.-% bezogen auf den Siliciumdioxidgehalt variieren. In bestimmten Ausführungsformen beträgt die Menge an Zusatzstoffen im Sol zwischen 10 Gew.-% und 60 Gew.-% bezogen auf den Siliciumdioxidgehalt und beträgt in bestimmten bevorzugten Ausführungsformen zwischen 20 Gew.-% und 40 Gew.-% bezogen auf den Siliciumdioxidgehalt. In Ausführungsbeispielen liegt die Menge an Zusatzstoffen in dem Sol bezogen auf den Siliciumdioxidgehalt im Bereich von etwa 5 % bis etwa 20 %, etwa 10 % bis etwa 20 %, etwa 10 % bis etwa 30 %, etwa 10 % bis etwa 20 %, etwa 30 Gew.-% bis etwa 50 Gew.-%, etwa 35 Gew.-% bis etwa 45 Gew.-% oder etwa 35 Gew.-% bis etwa 40 Gew.-% bezogen auf den Siliciumdioxidgehalt. In einigen Ausführungsformen beträgt die Menge an Zusatzstoffen im Sol mindestens etwa 10 Gew.-%, bezogen auf den Siliciumdioxidgehalt oder etwa 10 Gew.-%, bezogen auf den Siliciumdioxidgehalt. In einigen Ausführungsformen liegt die Menge an Zusatzstoffen im Bereich von etwa 5 Gew.-% bis etwa 15 Gew.-% bezogen auf den Siliciumdioxidgehalt. In bestimmten Ausführungsformen können die Zusatzstoffe von mehr als einer Art sein. Ein oder mehrere Brandschutzzusatzstoffe können auch in den endgültigen Aerogel-Zusammensetzungen vorhanden sein. In einigen bevorzugten Ausführungsformen, die Aluminiumsilikat-Brandschutzzusatzstoffe einschließen, sind die Zusatzstoffe in den Aerogel-Zusammensetzungen in etwa 60-70 Gew.-% bezogen auf den Siliciumdioxidgehalt vorhanden. Zum Beispiel beträgt in einigen bevorzugten Ausführungsformen, die Aluminiumsilikat-Brandschutzzusatzstoffe wie Kaolin oder Kombinationen von Aluminiumsilikat-Brandschutzzusatzstoffen wie Kaolin mit Aluminiumoxidtrihydrat („ATH“) einschließen, die Gesamtmenge der in den Aerogel-Zusammensetzungen vorhandenen Zusatzstoffe etwa 30 bis 40 Gew.-% bezogen auf den Siliciumdioxidgehalt. In einigen bevorzugten Ausführungsformen, in denen Zusatzstoffe Siliciumcarbid einschließen, beträgt die Gesamtmenge an Zusatzstoffen, die in den Aerogel-Zusammensetzungen vorhanden sind, etwa 30 bis 40 Gew.-%, z. B. 35 Gew.-%, bezogen auf den Siliciumdioxidgehalt. In einigen bevorzugten Ausführungsformen, in denen Zusatzstoffe Siliciumcarbid einschließen, beträgt die Gesamtmenge an Zusatzstoffen, die in den Aerogel-Zusammensetzungen vorhanden sind, etwa 5 bis 15 Gew.-%, z. B. 10 Gew.-%, bezogen auf den Siliciumdioxidgehalt.The amount of additives in the airgel compositions disclosed herein can depend on the desired properties of the composition. The amount of additives used during the manufacture and processing of the sol-gel compositions is usually referred to as a weight percentage compared to the silica content of the sol. The amount of additives in the sol can vary from about 5% to about 70% by weight based on the silica content. In certain embodiments, the amount of additives in the sol is between 10% and 60% by weight based on the silica content, and in certain preferred embodiments is between 20% and 40% by weight based on the silica content. In exemplary embodiments, the amount of additives in the sol ranges from about 5% to about 20%, about 10% to about 20%, about 10% to about 30%, about 10% to about 20%, based on the silica content 30% to about 50%, about 35% to about 45%, or about 35% to about 40% by weight based on the silica content. In some embodiments, the amount of additives in the sol is at least about 10% by weight based on silica content or about 10% by weight based on silica content. In some embodiments, the amount of additives ranges from about 5% to about 15% by weight of the silica content. In certain embodiments, the additives can be of more than one type. One or more fire retardant additives may also be present in the final airgel compositions. In some preferred embodiments involving aluminosilicate fire retardant additives, the additives are present in the airgel compositions at about 60-70% by weight based on the silica content. For example, in some preferred embodiments involving aluminosilicate fire retardant additives such as kaolin or combinations of aluminosilicate fire retardant additives such as kaolin with alumina trihydrate ("ATH"), the total amount of additives present in the airgel compositions is about 30 to 40% by weight on the silica content. In some preferred embodiments where additives include silicon carbide, the total amount of additives present in the airgel compositions is about 30 to 40% by weight, e.g. B. 35% by weight based on the silica content. In some preferred embodiments where additives include silicon carbide, the total amount of additives present in the airgel compositions is about 5 to 15% by weight, e.g. B. 10% by weight based on the silica content.

Bei Bezugnahme auf die endgültigen verstärkten Aerogel-Zusammensetzungen wird die Menge an Zusatzstoffen üblicherweise als Gewichtsprozentsatz der endgültigen verstärkten Aerogel-Zusammensetzung bezeichnet. Die Menge an Zusatzstoffen in der endgültigen verstärkten Aerogel-Zusammensetzung kann von etwa 1 Gew.-% bis etwa 50 Gew.-%, etwa 1 Gew.-% bis etwa 25 Gew.-% oder etwa 10 Gew.-% bis etwa 25 Gew.-% der verstärkten Aerogel-Zusammensetzung variieren. In Ausführungsbeispielen liegt die Menge an Zusatzstoffen in der endgültigen verstärkten Aerogel-Zusammensetzung im Bereich von etwa 10 % bis etwa 20 Gew.-% der verstärkten Aerogel-Zusammensetzung. In Ausführungsbeispielen beträgt die Menge an Zusatzstoffen in der endgültigen verstärkten Aerogel-Zusammensetzung als Gewichtsprozentsatz der Zusammensetzung etwa 1 %, etwa 2 % etwa 3 %, etwa 4 %, etwa 5 %, etwa 6 %, etwa 7 %, etwa 8 %, etwa 9 %, etwa 10 %, etwa 11 %, etwa 12 %, etwa 13 %, etwa 14 %, etwa 15 %, etwa 16 %, etwa 17 %, etwa 18 %, etwa 19 % etwa 20 % oder liegt in einem Bereich zwischen einem der vorgenannten Prozentsätze. In bestimmten Ausführungsformen beträgt die Menge an Zusatzstoffen in der endgültigen verstärkten Aerogel-Zusammensetzung etwa 15 Gew.-% der verstärkten Aerogel-Zusammensetzung. In bestimmten Ausführungsformen beträgt die Menge an Zusatzstoffen in der endgültigen verstärkten Aerogel-Zusammensetzung etwa 13 Gew.-% der verstärkten Aerogel-Zusammensetzung. Zum Beispiel beträgt in einigen bevorzugten Ausführungsformen, die Zusatzstoffe wie Siliciumcarbid einschließen, die Gesamtmenge der in den Aerogel-Zusammensetzungen vorhandenen Zusatzstoffe etwa 10 bis 20 Gew.-%, z. B. etwa 15 Gew.-% der verstärkten Aerogel-Zusammensetzung. In einigen bevorzugten Ausführungsformen, in denen Zusatzstoffe Siliciumcarbid einschließen, beträgt die Gesamtmenge an in den Aerogel-Zusammensetzungen vorhandenen Zusatzstoffen etwa 3 bis 5 Gew.-%, z. B. etwa 4 Gew.-% der verstärkten Aerogel-Zusammensetzung.When referring to the final reinforced airgel compositions, the amount of additives is usually referred to as a percentage by weight of the final reinforced airgel composition. The amount of additives in the final reinforced airgel composition can be from about 1% to about 50%, about 1% to about 25%, or about 10% to about 25% by weight % by weight of the reinforced airgel composition will vary. In exemplary embodiments, the amount of additives in the final reinforced airgel composition ranges from about 10% to about 20% by weight of the reinforced airgel composition. In exemplary embodiments, the amount of additives in the final reinforced airgel composition is about 1%, about 2%, about 3%, about 4%, about 5%, about 6%, about 7%, about 8%, about as a percentage by weight of the composition 9%, about 10%, about 11%, about 12%, about 13%, about 14%, about 15%, about 16%, about 17%, about 18%, about 19%, about 20% or is in a range between any of the above percentages. In certain embodiments, the amount of additives in the final reinforced airgel composition is about 15% by weight of the reinforced airgel composition. In certain embodiments, the amount of additives in the final reinforced airgel composition is about 13% by weight of the reinforced airgel composition. For example, in some preferred embodiments that include additives such as silicon carbide, the total amount of additives present in the airgel Compositions present additives about 10-20% by weight, e.g. B. about 15% by weight of the reinforced airgel composition. In some preferred embodiments where additives include silicon carbide, the total amount of additives present in the airgel compositions is about 3 to 5% by weight, e.g. B. about 4% by weight of the reinforced airgel composition.

Anfang von thermischer Zersetzung von BrandschutzzusatzstoffenBeginning of thermal decomposition of fire protection additives

In bestimmten Ausführungsformen können Brandschutzzusatzstoffe basierend auf ihrer Anfangstemperatur der thermischen Zersetzung klassifiziert oder gruppiert werden. Zum Beispiel können Brandschutzzusatzstoffe klassifiziert oder gruppiert werden, um eine Anfangstemperatur der thermischen Zersetzung von weniger als etwa 200 °C, weniger als etwa 400 °C oder mehr als etwa 400 °C aufzuweisen. Zum Beispiel schließen Zusatzstoffe mit einer Anfangstemperatur der thermischen Zersetzung unter etwa 200 °C Natriumbicarbonat (NaHCO₃), Nesquehonit (MgCO_3· 3 H₂O) und Gips (Calciumsulfatdihydrat; CaSO₄·2H₂O) ein. Für ein anderes Beispiel schließen Zusatzstoffe mit einer Anfangstemperatur der thermischen Zersetzung von weniger als etwa 400 °C Aluminiumoxidtrihydrat („ATH“), Hydromagnesit (hydratisiertes Magnesiumcarbonat; Mg₅(CO₃)4(OH)2·4H₂O) und Magnesiumhydroxid (oder Magnesiumdihydroxid, „MDH“) ein. Für ein anderes Beispiel schließen Zusatzstoffe mit einer Anfangstemperatur der thermischen Zersetzung von weniger als etwa 400 °C Halloysit (Aluminiumsilikat; Al₂Si₂O₅(OH)₄), Kaolin oder Kaolinit (Aluminiumsilikat; Al₂Si₂O₅(OH)₄), Boehmit (Aluminiumoxidhydroxid; y-AlO(OH))oder Hochtemperaturphasenwechselmaterialien (PCM) ein.In certain embodiments, fire retardant additives may be classified or grouped based on their thermal decomposition onset temperature. For example, fire retardant additives may be classified or grouped as having an onset thermal decomposition temperature of less than about 200°C, less than about 400°C, or greater than about 400°C. For example, additives with an onset thermal decomposition temperature below about 200°C include sodium bicarbonate (NaHCO ₃ ), nesquehonite (MgCO _{3 •} 3H ₂ O), and gypsum (calcium sulfate dihydrate; CaSO ₄ • 2H ₂ O). For another example, additives having a thermal decomposition onset temperature less than about 400°C include alumina trihydrate ("ATH"), hydromagnesite (hydrated magnesium carbonate; Mg ₅ (CO ₃ )4(OH)2 4H ₂ O), and magnesium hydroxide ( or Magnesium Dihydrate ("MDH"). For another example, additives having a thermal decomposition onset temperature less than about 400°C include halloysite (aluminum silicate; Al ₂ Si ₂ O ₅ (OH) ₄ ), kaolin, or kaolinite (aluminum silicate; Al ₂ Si ₂ O ₅ (OH) ₄ ), boehmite (alumina hydroxide; y-AlO(OH)), or high temperature phase change materials (PCM).

In bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung befinden sich Tonmaterialien z. B. Aluminosilikat-Tone wie Halogenysit oder Kaolinit als Zusatzstoffe in den Aerogel-Zusammensetzungen in der dehydratisierten Form, z. B. Meta-Halloysit oder Metakaolin. Andere Zusatzstoffe, die in den Zusammensetzungen der vorliegenden Offenbarung nützlich sein können, schließen, ohne darauf beschränkt zu sein, Wollastonit (Calciumsilikat) und Titandioxid (TiO2) ein. In bestimmten Ausführungsformen können andere Zusatzstoffe Infrarot-Trübungsmittel einschließen, wie, aber nicht beschränkt auf Titandioxid oder Siliciumcarbid, Ceramidmittel, wie, aber nicht beschränkt auf niedrig schmelzende Glasfritte, Calciumsilikat oder Kohlebildner, wie, aber nicht beschränkt auf Phosphate und Sulfate. In bestimmten Ausführungsformen können Zusatzstoffe spezielle Verarbeitungsbetrachtungen erfordern, wie Techniken, um sicherzustellen, dass die Zusatzstoffe gleichmäßig verteilt und nicht stark agglomeriert werden, um Produktleistungsschwankungen zu verursachen. Die Verarbeitungstechniken können zusätzliche statische und dynamische Mischer, Stabilisatoren, Einstellung der Prozessbedingungen und sonstige im Stand der Technik bekannte einschließen. Ein oder mehrere Brandschutzzusatzstoffe können auch in den endgültigen Aerogel-Zusammensetzungen vorhanden sein.In certain embodiments of the present disclosure, clay materials are located e.g. B. aluminosilicate clays such as haloysite or kaolinite as additives in the airgel compositions in the dehydrated form, e.g. B. meta-halloysite or metakaolin. Other additives that may be useful in the compositions of the present disclosure include, but are not limited to, wollastonite (calcium silicate) and titanium dioxide (TiO2). In certain embodiments, other additives may include infrared opacifiers such as but not limited to titanium dioxide or silicon carbide, ceramide agents such as but not limited to low melting point glass frit, calcium silicate, or char formers such as but not limited to phosphates and sulfates. In certain embodiments, additives may require special processing considerations, such as techniques to ensure the additives are evenly distributed and not severely agglomerated to cause product performance variations. Processing techniques may include additional static and dynamic mixers, stabilizers, adjustment of process conditions, and others known in the art. One or more fire retardant additives may also be present in the final airgel compositions.

In bestimmten Ausführungsformen kann der Einschluss von Zusatzstoffen, z. B. Materialien auf Aluminosilikat-Basis, wie Halogenysit oder Kaolin, in den Aerogel-Materialien und Zusammensetzungen der vorliegenden Offenbarung verbesserte Hochtemperaturschrumpfeigenschaften bereitstellen. Ein beispielhaftes Prüfverfahren für die Hochtemperaturschrumpfung ist das „Standardprüfverfahren für lineare Schrumpfung von vorgeformten thermischen Hochtemperaturisolierungen, die durchtränkender Wärme unterzogen werden“ (ASTM C356, ASTM International, West Conshohocken, PA). Bei solchen Prüfungen, die als „thermisches Durchtränken“ bezeichnet werden, werden Materialien für eine Dauer von bis zu 60 Minuten Temperaturen von mehr als 1000 °C ausgesetzt. In bestimmten Ausführungsbeispielen können Aerogel-Materialien oder Zusammensetzungen der vorliegenden Offenbarung eine hohe Temperaturschrumpfung aufweisen, d. h. eine lineare Schrumpfung, Breitenschrumpfung, Dickenschrumpfung oder eine beliebige Kombination von dimensionaler Schrumpfung von etwa 20 % oder weniger, etwa 15 % oder weniger, etwa 10 % oder weniger, etwa 6 % oder weniger, etwa 5 % oder weniger, 4 % oder weniger, 3 % oder weniger, 2 % oder weniger, 1 % oder weniger, oder in einem Bereich zwischen zwei beliebigen dieser Werte.In certain embodiments, the inclusion of additives, e.g. B. Aluminosilicate-based materials such as haloysite or kaolin provide improved high temperature shrinkage properties in the airgel materials and compositions of the present disclosure. An example test method for high temperature shrinkage is the "Standard Test Method for Linear Shrinkage of Preformed High Temperature Thermal Insulation Subjected to Soaking Heat" (ASTM C356, ASTM International, West Conshohocken, PA). In such tests, known as “thermal soak”, materials are exposed to temperatures in excess of 1000°C for periods of up to 60 minutes. In certain embodiments, airgel materials or compositions of the present disclosure can exhibit high temperature shrinkage, i. H. a linear shrinkage, width shrinkage, thickness shrinkage, or any combination of dimensional shrinkage of about 20% or less, about 15% or less, about 10% or less, about 6% or less, about 5% or less, 4% or less, 3% or less, 2% or less, 1% or less, or any two of these values in between.

In einigen Ausführungsbeispielen können bestimmte basische Katalysatoren, die verwendet werden, um Vorläuferreaktionen zu katalysieren, zu Spurenbereichen von Alkalimetallen in der Aerogel-Zusammensetzung führen. Spurenbereiche, z. B. 100 bis 500 ppm, von Alkali, z. B. Natrium oder Kalium, in den Aerogel-Materialien können sich nachteilig auf die hohe Temperaturschrumpfung und die thermische Haltbarkeit auswirken. Ohne durch einen bestimmten Mechanismus oder eine bestimmte Theorie gebunden zu sein, können auf Aluminosilikat-Ton basierende Materialien wie Haloysit oder Kaolin jedoch flüchtiges Alkali, z. B. Natrium oder Kalium, maskieren, wodurch die Wirkung von Alkali auf Schrumpfung und thermischer Haltbarkeit reduziert oder eliminiert wird. In bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung befinden sich die Aluminosilikat-Tonmaterialien in der dehydratisierten Form, z. B. Meta-Halloysit oder Metakaolin. Zum Beispiel können Aerogel-Materialien oder -Zusammensetzungen, die eine Menge an Metakaolin oder Meta-Halloysit von mehr als etwa 0,5 Gew.-% bezogen auf den Siliciumdioxidgehalt einschließen, die thermische Schrumpfung und die thermische Haltbarkeit erheblich reduzieren. In Ausführungsbeispielen können Aerogel-Materialien oder -Zusammensetzungen eine Menge an Metakaolin oder Meta-Halloysit in einem Bereich von etwa 0,5 Gew.-% bis etwa 3,0 Gew.-% bezogen auf den Siliciumdioxidgehalt einschließen.In some embodiments, certain basic catalysts used to catalyze precursor reactions can result in trace levels of alkali metals in the airgel composition. trace areas, e.g. 100 to 500 ppm of alkali, e.g. B. sodium or potassium, in the airgel materials can adversely affect the high temperature shrinkage and thermal durability. However, without being bound by any particular mechanism or theory, aluminosilicate clay-based materials such as haloysite or kaolin can contain volatile alkali, e.g. sodium or potassium, thereby reducing or eliminating the effect of alkali on shrinkage and thermal durability. In certain embodiments of the present disclosure, the aluminosilicate clays are in the dehydrated form, e.g. B. meta-halloysite or metakaolin. For example, airgel materials or compositions containing an amount of metakaolin or meta-halloysite greater than about 0.5% by weight can be used. % based on silica content significantly reduce thermal shrinkage and thermal durability. In exemplary embodiments, airgel materials or compositions can include an amount of metakaolin or meta-halloysite ranging from about 0.5% to about 3.0% by weight of the silica content.

Wärmeleitfähige Plattenthermally conductive plates

In einer Ausführungsform ist mindestens eines des Paares starrer Platten eine wärmeleitfähige Platte. Vorzugsweise sind beide der starren Platten wärmeleitfähige Platten. Die wärmeleitfähigen starren Platten stellen sowohl einen starren Träger für die Federelemente als auch eine Wärmeübertragungsoberfläche bereit, die es Wärme von der benachbarten Batteriezelle oder dem Batteriemodul ermöglicht, auf einen Fluidkanal übertragen zu werden, der zwischen dem Paar starrer wärmeleitfähiger Platten ausgebildet ist.In one embodiment, at least one of the pair of rigid plates is a thermally conductive plate. Preferably both of the rigid plates are thermally conductive plates. The thermally conductive rigid plates provide both a rigid support for the spring elements and a heat transfer surface that allows heat from the adjacent battery cell or battery module to be transferred to a fluid channel formed between the pair of rigid thermally conductive plates.

Die wärmeleitfähigen starren Platten sind aus einem wärmeleitfähigen Material gebildet. Das wärmeleitfähige Material kann eine Wärmeleitfähigkeit entlang einer Ebene von mindestens etwa 200 mW/m-K aufweisen. Ein wärmeleitfähiges Material kann eine Wärmeleitfähigkeit von mehr als 50 W/mK, mehr bevorzugt mehr als 100 W/mK und noch mehr bevorzugt mehr als 200 W/mK (alle gemessen bei 25 °C) aufweisen. Das wärmeleitfähige Material kann mindestens eine Schicht einschließen, die Metall, Kohlenstoff, leitfähiges Polymer oder Kombinationen davon einschließt. Beispiele für wärmeleitfähige Materialien, die zum Bilden von wärmeleitfähigen Platten verwendet werden können, schließen Kohlefaser, Graphit, Siliciumcarbid, Metalle ein, einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf Kupfer, Edelstahl, Aluminium und dergleichen, sowie Kombinationen davon.The thermally conductive rigid plates are formed from a thermally conductive material. The thermally conductive material may have an in-plane thermal conductivity of at least about 200 mW/m-K. A thermally conductive material may have a thermal conductivity greater than 50 W/mK, more preferably greater than 100 W/mK, and even more preferably greater than 200 W/mK (all measured at 25°C). The thermally conductive material can include at least one layer that includes metal, carbon, conductive polymer, or combinations thereof. Examples of thermally conductive materials that can be used to form thermally conductive plates include carbon fiber, graphite, silicon carbide, metals including but not limited to copper, stainless steel, aluminum, and the like, and combinations thereof.

In einigen Ausführungsformen der vorstehenden Gesichtspunkte können die wärmeleitfähige(n) Platte(n) eine oder mehrere wärmeleitfähige Schichten einschließen. Zum Beispiel können die wärmeleitfähigen Platten mindestens eine Schicht aus oder einschließlich eines wärmeleitfähigen Materials einschließen, z. B. eine Schicht, die Metall, Kohlenstoff, wärmeleitfähiges Polymer oder Kombinationen davon einschließt. Wie im Rahmen mit diesen Ausführungsformen verwendet, bezieht sich wärmeleitfähiges Material auf Materialien mit einer Wärmeleitfähigkeit, die größer als die der Isolierschicht z. B. Aerogel-Zusammensetzung ist. In bestimmten Ausführungsformen weisen wärmeleitfähige Materialien Wärmeleitfähigkeiten auf, die mindestens etwa eine Größenordnung größer als die der Aerogel-Zusammensetzung sind.In some embodiments of the above aspects, the thermally conductive sheet(s) may include one or more thermally conductive layers. For example, the thermally conductive sheets may include at least one layer of or including a thermally conductive material, e.g. B. a layer including metal, carbon, thermally conductive polymer or combinations thereof. As used with these embodiments, thermally conductive material refers to materials with a thermal conductivity greater than that of the insulating layer, e.g. B. Airgel composition. In certain embodiments, thermally conductive materials have thermal conductivities that are at least about an order of magnitude greater than that of the airgel composition.

Vorzugsweise weist eine wärmeleitfähige Platte eine Schmelztemperatur von mindestens 300 °C, mehr bevorzugt von mindestens 600 °C, noch mehr bevorzugt von mindestens 1000 °C und noch mehr bevorzugt von mindestens 1500 °C auf.Preferably, a thermally conductive sheet has a melting temperature of at least 300°C, more preferably at least 600°C, even more preferably at least 1000°C, and even more preferably at least 1500°C.

Die Dicke der wärmeleitfähigen Platte kann von dem verwendeten Material, den Eigenschaften der Isolierschicht, der Druckmenge, die durch die Federelemente an die Platten angelegt wird, und verschiedenen Faktoren, die sich auf die Menge an Batteriezellen oder -modulen beziehen, und dem Platz, der innerhalb des Batteriemoduls oder Batteriepacks verfügbar ist, abhängen. Funktionell gesprochen sollte die wärmeleitfähige Schicht dick genug sein, um den Federelementen den gewünschten Widerstand bereitzustellen.The thickness of the thermally conductive plate can vary depending on the material used, the properties of the insulating layer, the amount of pressure applied to the plates by the spring elements, and various factors related to the quantity of battery cells or modules and the space that available within the battery module or battery pack. Functionally speaking, the thermally conductive layer should be thick enough to provide the spring elements with the desired resistance.

In einigen Ausführungsformen können die wärmeleitfähigen Platten eine Dicke von etwa 0,010 mm, 0,025 mm, 0,05 mm, 0,07 mm, 0,10 mm aufweisen oder in einem Bereich zwischen zwei dieser Werte liegen und im Hinblick auf die thermische Leitfähigkeit in der Ebene im Bereich von etwa 600 bis etwa 1950 W/mK liegen. In einigen Ausführungsformen können die wärmeleitfähigen Platten eine Dicke von etwa 0,05 mm, etwa 0,07 mm, etwa 0,10 mm, etwa 0,20 mm, etwa 0,25 mm, etwa 0,30 mm, etwa 0,5 mm, etwa 0,75 mm, etwa 1 mm, etwa 1,5 mm, etwa 2 mm, etwa 3 mm, etwa 4 mm, etwa 5 mm aufweisen oder in einem Bereich zwischen zwei dieser Werte liegen.In some embodiments, the thermally conductive sheets may have a thickness of about 0.010 mm, 0.025 mm, 0.05 mm, 0.07 mm, 0.10 mm or in a range between two of these values and in terms of thermal conductivity in the level in the range of about 600 to about 1950 W/mK. In some embodiments, the thermally conductive sheets can have a thickness of about 0.05 mm, about 0.07 mm, about 0.10 mm, about 0.20 mm, about 0.25 mm, about 0.30 mm, about 0.5 mm, about 0.75 mm, about 1 mm, about 1.5 mm, about 2 mm, about 3 mm, about 4 mm, about 5 mm or in a range between two of these values.

In einigen Ausführungsformen können wärmeleitfähige Materialien aus Phasenwechselmaterialien ausgewählt sein.In some embodiments, thermally conductive materials may be selected from phase change materials.

In einigen Ausführungsformen kann thermische Paste zwischen der Isolierschicht und der komprimierbaren Schicht oder zwischen der Batteriezelle oder dem Modul und der komprimierbaren Schicht verwendet werden, um eine gleichmäßige und einheitliche Wärmeleitung zwischen diesen Schichten sicherzustellen. Wie hierin verwendet, bezieht sich thermische Paste auf verschiedene Materialien, die auch als thermische Verbindung, thermisches Fett, thermisches Grenzflächenmaterial (TIM), thermisches Gel, Wärmepaste, Wärmesenkenverbindung und Wärmesenkenpaste bekannt sind. Zum Beispiel kann eine Schicht thermischer Paste zwischen der Isolierschicht (z. B. einer Aerogel-Zusammensetzung) und den wärmeleitfähigen Platten angeordnet sein.In some embodiments, thermal paste may be used between the insulating layer and the compressible layer or between the battery cell or module and the compressible layer to ensure even and uniform thermal conduction between these layers. As used herein, thermal paste refers to various materials also known as thermal compound, thermal grease, thermal interface material (TIM), thermal gel, thermal paste, heat sink compound, and heat sink paste. For example, a layer of thermal paste may be placed between the insulating layer (e.g., an airgel composition) and the thermally conductive plates.

Komprimierbare SchichtCompressible layer

Wie vorstehend erörtert, bietet die Barriere gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung günstige Eigenschaften im Hinblick auf Komprimierbarkeit, Kompressionselastizität und Konformität zusammen mit niedrigen Wärmeübertragungs- und Brandbeständigkeitseigenschaften. Bei Verwendung mit einer Isolierschicht kann die komprimierbare Schicht eine Beständigkeit gegenüber Kompressionsverformung bereitstellen, um der Expansion von Zellen aufgrund der Verschlechterung und Schwellung aktiver Materialien während Lade-/Entladezyklen für die Batterie Rechnung zu tragen. Während der Erstmontage eines Batteriemoduls oder Batteriepacks wird üblicherweise eine relativ niedrige Last von 1 MPa oder weniger an die Barriere angelegt. Bei Verwendung, z. B., wenn die Zellen innerhalb eines Batteriemoduls während Lade-/Entladezyklen expandiert oder schwillt, kann eine Last von bis zu etwa 5 MPa an die komprimierbare Schicht angelegt werden.As discussed above, the barrier according to embodiments of the present disclosure offers favorable compressibility, compression resiliency, and conformance properties together with low heat transfer and fire resistance properties. When used with an insulating layer, the compressible layer can provide resistance to compression set to accommodate expansion of cells due to degradation and swelling of active materials during charge/discharge cycling for the battery. During initial assembly of a battery module or battery pack, a relatively low load of 1 MPa or less is typically applied to the barrier. When using e.g. For example, when the cells within a battery module expand or swell during charge/discharge cycles, a load of up to about 5 MPa can be applied to the compressible layer.

In einer Ausführungsform weist die komprimierbare Schicht einen Kompressionsmodul von etwa 1 MPa bis etwa 12 MPa auf. Der Kompressionsmodul der komprimierbaren Schicht wird durch die zwischen den starren Platten angeordneten Federelemente bestimmt. Die Kompressions- und Elastizitätseigenschaften von Materialien zwischen Zellen oder Batteriemodulen und Batteriepacks sind wichtig, um dem Schwellen von Zellen während ihrer Lebenszyklen Rechnung zu tragen. In bestimmten Ausführungsformen ist die komprimierbare Schicht (i) um mindestens 50 % ihrer ursprünglichen oder unkomprimierten Dicke, vorzugsweise mindestens 65 %, und am meisten bevorzugt mindestens 80 % komprimierbar und (ii) schließt Federelemente ein, die nach dem Entfernen der Kompression zu mindestens 70 % ihrer ursprünglichen oder unkomprimierten Dicke, vorzugsweise mindestens 75 % und am meisten bevorzugt mindestens 100 %, zurückkehren.In one embodiment, the compressible layer has a bulk modulus of from about 1 MPa to about 12 MPa. The bulk modulus of the compressible layer is determined by the spring elements placed between the rigid plates. The compressive and elastic properties of materials between cells or battery modules and battery packs are important to account for the swelling of cells during their life cycles. In certain embodiments, the compressible layer is (i) compressible by at least 50% of its original or uncompressed thickness, preferably at least 65%, and most preferably at least 80%, and (ii) includes spring elements which, upon removal of compression, are at least 70% compressible % of their original or uncompressed thickness, preferably at least 75% and most preferably at least 100%.

Federelementespring elements

Die komprimierbare Schicht der Barriereschicht umfasst ein Paar starrer Platten und eines oder mehrere Federelemente, die zwischen den starren Platten angeordnet sind. Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung bezieht sich der Begriff „Federelement“ auf ein beliebiges elastisches Objekt, das mechanische Energie speichert. Kompressionsfedern sind die bevorzugten Federn zur Verwendung als Federelement. Beispielhafte Kompressionsfedern schließen, ohne darauf beschränkt zu sein, konstante Kompressionsfedern, variable Kompressionsfedern, flache Kompressionsfedern, schlangenförmige Kompressionsfedern, Auslegerkompressionsfedern, Spiralkompressionsfedern, Bogenkompressionsfedern, Schraubenkompressionsfedern, Kegelkompressionsfedern, Wellenfedern und Linearfedern ein. Das „Federelement“ der komprimierbaren Schicht kann eine einzige Art von Kompressionsfeder oder eine Kombination unterschiedlicher Arten von Kompressionsfedern umfassen.The compressible layer of the barrier layer includes a pair of rigid panels and one or more spring elements disposed between the rigid panels. As used herein, the term "spring element" refers to any elastic object that stores mechanical energy. Compression springs are the preferred springs for use as the spring element. Exemplary compression springs include, but are not limited to, constant compression springs, variable compression springs, flat compression springs, serpentine compression springs, cantilever compression springs, coil compression springs, arc compression springs, helical compression springs, cone compression springs, wave springs, and linear springs. The "spring element" of the compressible layer may comprise a single type of compression spring or a combination of different types of compression springs.

Die Federelemente sind aus einem Material zusammengesetzt, das eine elastische Reaktion auf den auf die Platten ausgeübten Druck bereitstellt. Das Material kann jedes Metall oder Polymermaterial sein, das die gewünschte elastische Reaktion bereitstellt. Vorzugsweise sind die Federelemente aus Edelstahl gefertigt. Die Eigenschaften der Federelemente sind so gewählt, dass sie den richtigen Kompressionsbetrag gegen die starren Platten bereitstellen, wenn sie zwischen zwei Batteriezellen oder zwei Batteriemodulen angeordnet sind. Die Kompressionskraft wird so gewählt, dass die starre Platte in Kontakt mit der Seite der Batteriezelle oder des Batteriemoduls gehalten wird. Die Obergrenze der Kompressionskraft wird basierend auf der erwarteten Expansion der Batteriezelle oder des Batteriemoduls über die Arbeitslebensdauer bestimmt. Im Allgemeinen kann erwartet werden, dass sich die Batteriezelle oder das Batteriemodul um 50 % bis zu 100 % ihrer anfänglichen Dicke expandieren wird.The spring elements are composed of a material that provides a resilient response to the pressure exerted on the plates. The material can be any metal or polymeric material that provides the desired elastic response. The spring elements are preferably made of stainless steel. The properties of the spring elements are chosen to provide the correct amount of compression against the rigid plates when placed between two battery cells or two battery modules. The compression force is chosen to keep the rigid plate in contact with the side of the battery cell or battery module. The upper limit of the compression force is determined based on the expected expansion of the battery cell or battery module over the working life. In general, the battery cell or battery module can be expected to expand from 50% to 100% of its initial thickness.

9A-B stellen die typische Expansion in einer Batteriezelle dar. 9A-B zeigen ein Paar Batteriezellen 430 mit einer Barriere 400, die dazwischen angeordnet ist. Zum „Beginn der Lebensdauer“ des Energiespeicherungssystem, das in 9A dargestellt ist, weisen die Batteriezellen ihre niedrigste Dicke auf. Die Federelemente 425 befinden sich in ihrem am wenigsten komprimierten Zustand und stellen einen ausreichenden Druck bereit, um die starre Platte 422a gegen die Batteriezelle 430 und die starre Platte 422b gegen die Isolierschicht 410 zu pressen. Wenn die Batteriezellen altern, beginnen die Batteriezellen zu expandieren. Die „Ende der Lebensdauer“-Stufe der Batteriezelle ist in 9B dargestellt. Wenn sich die Batteriezellen expandieren, drücken die Batteriezellen gegen die Barriere, wodurch sich die Federelemente zusammenziehen, um die Expansion der Batteriezellen auszugleichen. In einer Ausführungsform weist die Barriere eine durchschnittliche Dicke in einem Bereich zwischen etwa 5 mm bis etwa 30 mm in einem unkomprimierten Zustand oder zu Beginn der Lebensdauer eines Energiespeicherungssystems auf, und die Barriere ist auf eine minimale durchschnittliche Dicke von zwischen etwa 2 mm und 10 mm an oder nahe dem Ende der Lebensdauer des Energiespeicherungssystems komprimierbar. 9A-B represent the typical expansion in a battery cell. 9A-B show a pair of battery cells 430 with a barrier 400 placed therebetween. At the "beginning of life" of the energy storage system, which in 9A is shown, the battery cells are at their lowest thickness. Spring elements 425 are in their least compressed state and provide sufficient pressure to urge rigid plate 422a against battery cell 430 and rigid plate 422b against insulating layer 410 . As the battery cells age, the battery cells begin to expand. The battery cell “end of life” stage is in 9B shown. As the battery cells expand, the battery cells push against the barrier, causing the spring elements to contract to accommodate the expansion of the battery cells. In one embodiment, the barrier has an average thickness ranging from about 5 mm to about 30 mm in an uncompressed state or early in the life of an energy storage system, and the barrier is limited to a minimum average thickness of between about 2 mm and 10 mm compressible at or near the end of the life of the energy storage system.

Um die Batteriezellen oder Batteriemodule während ihrer Lebensdauer zu expandieren, werden die Federelemente ausgewählt, um das geeignete Ausmaß der Expansion zu ermöglichen. Dies geschieht durch die Auswahl von Federn, welche die richtige Federkonstante aufweisen. Dies kann unter Verwendung des Hooke'schen Gesetzes berechnet werden: $$\text{F}=-\text{k}\Delta \text{x}$$

In order to expand the battery cells or battery modules during their lifetime, the spring elements are selected to allow for the appropriate amount of expansion. This is done by selecting springs that have the correct spring rate. This can be calculated using Hooke's law: $$\text{f}=-\text{k}\Delta \text{x}$$

Wenn (F) die von der Feder erzeugte Kraft ist, ist (Δx) die Verschiebung (z. B. Kompression) der Feder von ihrer entspannten oder neutralen Position und (k) ist die Federkonstante. Vor dem Platzieren in Position zwischen zwei Batterieelementen gibt es keine Verschiebung an den Federelementen und die Kraft (F₀) ist null. Um die Barriere zwischen den Batterieelementen zu platzieren, werden die komprimierbaren Elemente komprimiert, um die Breite der Barriere so zu reduzieren, dass die Barriere zwischen die Batterieelemente passt. Sobald die Federelemente zwischen den Barriereelementen positioniert sind, üben die Federelemente eine anfängliche konstante Kraft gegen die starren Platten (F_i) aus, die proportional zum Verschiebungsgrad (Kompression) der Federelemente ist. Wenn sich die Batterie während der Verwendung expandiert, werden die Federn stärker komprimiert und die Kraft wird erhöht. Die Federkonstante wird daher so gewählt, dass sich die Batterieelemente expandieren können, ohne dass die Federelemente diese Expansion verhindern.Where (F) is the force produced by the spring, (Δx) is the displacement (e.g. compression) of the spring from its relaxed or neutral position and (k) is the spring constant. Before being placed in position between two battery elements, there is no displacement at the spring elements and the force (F ₀ ) is zero. To place the barrier between the battery elements, the compressible elements are compressed to reduce the width of the barrier so that the barrier fits between the battery elements. Once the spring elements are positioned between the barrier elements, the spring elements exert an initial constant force against the rigid plates (F _i ) that is proportional to the degree of displacement (compression) of the spring elements. As the battery expands during use, the springs compress more and the power increases. The spring constant is therefore chosen so that the battery elements can expand without the spring elements preventing this expansion.

Die Federkonstante (k) kann von einer Anzahl von Faktoren beeinflusst sein. Die Hauptfaktoren, die die Federkonstante beeinflussen, schließen ein, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein: (1) den Drahtdurchmesser des Federmaterials; (2) den Durchmesser oder die Länge des Federelements; und (3) die freie Länge des Federelements, die seine Länge darstellt, wenn sie keine Verschiebung aus dem Gleichgewicht erfährt. Jeder dieser Faktoren kann angepasst werden, um ein oder mehrere Federelemente zu erzeugen, die geeignete Kompressionsmenge gegen die starren Platten über die Lebensdauer der Batterieelemente bereitstellen. Die Federkonstante der Federelemente ist daher ausgewählt, um die Platten gegen benachbarte Batterieelemente in dem elektrischen Energiespeicherungssystem zu pressen. Die Federelemente sind auch so ausgewählt, dass sie eine Federkonstante aufweisen, die es ermöglicht, dass die Federelemente komprimiert werden können, wenn sich die benachbarten Batteriezellen expandieren.The spring constant (k) can be affected by a number of factors. The main factors affecting the spring rate include, but are not limited to: (1) the wire diameter of the spring material; (2) the diameter or length of the spring element; and (3) the free length of the spring element, which is its length when not undergoing displacement from equilibrium. Each of these factors can be adjusted to create one or more spring elements that provide the appropriate amount of compression against the rigid plates over the life of the battery elements. The spring rate of the spring elements is therefore selected to press the plates against adjacent battery elements in the electrical energy storage system. The spring elements are also selected to have a spring constant that allows the spring elements to be compressed as the adjacent battery cells expand.

Die Federelemente können an einer oder beiden der starren Platten befestigt sein oder können zwischen den starren Platten angeordnet sein, ohne an einer oder beiden starren Platten befestigt zu sein. Wenn die Federelemente an der einen oder den mehreren starren Platten befestigt sind, können sie unter Verwendung eines Klebstoffs, eines Schweißens oder eines mechanischen Befestigungselements befestigt werden.The spring elements may be attached to one or both of the rigid plates or may be positioned between the rigid plates without being attached to either or both of the rigid plates. When the spring elements are attached to the one or more rigid plates, they can be attached using an adhesive, welding, or a mechanical fastener.

7 und 8 stellen Ausführungsformen der Barriere dar, die eine komprimierbare Schicht (420 und 520) einschließen. In den dargestellten Ausführungsformen ist eine lineare Wellenfeder als Federelement 425 dargestellt. 10A-B zeigen schematische Ansichten einer komprimierbaren Schicht mit einer linearen Wellenfeder. In diesen Ausführungsformen besteht die komprimierbare Schicht aus einem Paar starrer Platten 422 mit linearen Wellenfedern 425, die zwischen den starren Platten positioniert sind. Die linearen Wellenfedern können an den starren Platten befestigt sein oder können zwischen den starren Platten ohne eine Art von Befestigung angeordnet sein. Lineare Wellenfedern sind ebenfalls in 9A-B dargestellt. 7 and 8th illustrate embodiments of the barrier that include a compressible layer (420 and 520). In the illustrated embodiments, a linear wave spring is illustrated as spring element 425 . 10A-B show schematic views of a compressible layer with a linear wave spring. In these embodiments, the compressible layer consists of a pair of rigid plates 422 with linear wave springs 425 positioned between the rigid plates. The linear wave springs may be attached to the rigid plates or may be placed between the rigid plates without any type of attachment. Linear wave springs are also in 9A-B shown.

11A-B stellen eine Ausführungsform von Auslegerkompressionsfedern dar, die auf der Oberfläche der starren Platten ausgebildet sind. 11A stellt eine starre Platte 622 mit einer Anordnung von Laschen 625 dar. Jede Lasche der Reihe von Laschen wirkt als eine Auslegerkompressionsfeder, die während der Betriebsbedingungen der zwischen den Batterieelementen angeordneten Barriere elastisch verformt werden kann. Die Anordnung von Laschen 625 kann aus jedem Metall oder Polymer gebildet sein, das unter den Betriebsbedingungen des Energiespeicherungssystems elastisch verformbar ist. In der dargestellten Ausführungsform in 11B ist die Anordnung von Laschen auf der Innenoberfläche jeder der starren Platten 622 angeordnet. Es versteht sich jedoch, dass eine Anordnung von Laschen nur auf einer der starren Platten angeordnet sein könnte. 11A-B illustrate one embodiment of cantilever compression springs formed on the surface of the rigid plates. 11A 12 illustrates a rigid plate 622 with an array of tabs 625. Each tab of the series of tabs acts as a cantilever compression spring that can be elastically deformed during operating conditions of the barrier disposed between the battery elements. The array of tabs 625 may be formed from any metal or polymer that is elastically deformable under the operating conditions of the energy storage system. In the illustrated embodiment in 11B the array of tabs is located on the inner surface of each of the rigid plates 622 . However, it should be understood that an array of tabs could be located on only one of the rigid panels.

12 zeigt eine Ausführungsform einer starren Platte 722 mit Einkerbungskompressionsfederelementen 725. In dieser Ausführungsform ist eine Vielzahl von Einkerbungskompressionsfederelementen 725, die aus einem elastischen, komprimierbaren Material gebildet ist, auf der Innenoberfläche einer oder beider der starren Platten 722 angeordnet. Die Einkerbungskompressionsfederelemente können aus einem Metall oder einem Polymer gebildet sein. Die Einkerbungskompressionsfederelemente können hohl oder massiv sein. 12 12 shows an embodiment of a rigid plate 722 with indented compression spring elements 725. In this embodiment, a plurality of indented compression spring elements 725 formed of a resilient, compressible material are disposed on the inner surface of one or both of the rigid plates 722. FIG. The indentation compression spring elements may be formed from a metal or a polymer. The indented compression spring elements can be hollow or solid.

13 stellt eine Ausführungsform eines Abschnitts einer komprimierbaren Schicht 800 mit einer Vielzahl von Spiralkompressionsfederelementen 825 dar, die auf der Oberfläche der starren Platte 822 angeordnet sind. Vorzugsweise wird eine Kegelkompressionsfeder verwendet. Kegelkompressionsfedern weisen ein reduziertes Profil auf, da sie komprimiert werden. Wenn sich die Batterieelemente expandieren, komprimiert sich die Feder in sich, was eine Expansion der Batterieelemente ermöglicht, bis die Kegelkompressionsfeder vollständig komprimiert ist. Aufgrund der Kegelform dieser Federelemente kann die Feder komprimiert werden, bis die Höhe der Feder gleich der Breite des Drahtes ist, der zur Herstellung der Feder verwendet wird. 13 FIG. 8 illustrates an embodiment of a portion of a compressible layer 800 having a plurality of coiled compression spring elements 825 disposed on the surface of rigid plate 822. FIG. Preferably a cone compression spring is used. Cone compression springs have a reduced profile as they are being compressed. As the battery elements expand, the spring compresses on itself, allowing expansion of the battery elements until the cone compression spring is fully compressed. Because of the conical shape of these spring elements, the spring can be compressed until the height of the spring is equal to the width of the wire used to make the spring.

14A-B stellen eine Ausführungsform einer komprimierbaren Schicht 900 mit einer Vielzahl von Bogenkompressionsfederelementen 925 dar, die auf der Oberfläche der starren Platte 922 angeordnet sind. Wie in 14B gezeigt, können die Bogenkompressionsfederelemente ein Materialband, ein Metall oder ein Polymer sein können, das an den Enden an einem des Paares starrer Platten und in der Mitte an der anderen starren Platte befestigt ist. Während der Verwendung bewirkt die Expansion der Batterieelemente, dass sich die Bogenform verformt, um der Erhöhung der Kraft von den Batterieelementen Rechnung zu tragen. Die Bänder können unter Verwendung von Schweißen, Klebstoffen oder Befestigungselementen an Ort und Stelle gehalten werden. In einer Ausführungsform, die in 15A-15B dargestellt ist, können die Bänder durch Vertiefungen gehalten werden, die in den starren Platten gebildet sind. Zum Beispiel kann an der ersten starren Platte 922a ein Paar Vertiefungen 927 für jedes Band ausgebildet sein, um die Enden des Bandes aufzunehmen. An der zweiten starren Platte 922b ist eine Vertiefung 929 ausgebildet, um die Mitte des Bandes aufzunehmen. Die Verwendung von Vertiefungen bietet eine Reihe von Vorteilen. Die Vertiefungen können ein Verrutschen oder Bewegen der Bänder verhindern, wenn Kompressionskräfte auf die komprimierbare Schicht einwirken. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Vertiefungen die starren Platten während der Kompression ausrichten. Wenn zum Beispiel eine laterale Kraft auf eine der starren Platten ausgeübt wird, können die Bänder, die in Querrichtung im Wesentlichen unkomprimierbar sind, die Platten in Ausrichtung halten, wenn sie in den Vertiefungen angeordnet sind. Während der Verwendung wird die Barriere in Kontakt mit benachbarten Batterieelementen (z. B. Batteriezellen oder Batteriemodulen) platziert. Die Barriere schließt vorzugsweise starre Platten (z. B. wärmeleitfähige starre Platten) ein, die im Wesentlichen identisch in Größe und Form sind, wie zum Beispiel in 7, 8, 9A und 9B dargestellt. Die starren Platten befinden sich auch in einer ausgerichteten Konfiguration, so dass die Außenkanten eines des Paares von starren Platten im Wesentlichen mit den Außenkanten des anderen des Paares starrer Platten ausgerichtet sind. 14A-B 12 illustrate an embodiment of a compressible layer 900 having a plurality of arcuate compression spring elements 925 disposed on the surface of the rigid plate 922. As in 14B As shown, the arcuate compression spring elements may be a ribbon of material, metal, or polymer attached at the ends to one of the pair of rigid plates and at the center to the other rigid plate. During use, the expansion of the battery elements causes the arc shape to deform to accommodate the increase in power from the battery elements. The straps can be held in place using welds, adhesives, or fasteners. In an embodiment defined in 15A-15B As shown, the straps may be retained by indentations formed in the rigid plates. For example, a pair of indentations 927 for each strap may be formed on the first rigid plate 922a to receive the ends of the strap. A recess 929 is formed on the second rigid plate 922b to accommodate the center of the belt. The use of indentations offers a number of advantages. The indentations can prevent the straps from slipping or moving when compressive forces are applied to the compressible layer. Another benefit is that the indentations align the rigid plates during compression. For example, when a lateral force is applied to one of the rigid panels, the straps, which are substantially incompressible in the transverse direction, can hold the panels in alignment when placed in the indentations. During use, the barrier is placed in contact with adjacent battery elements (eg, battery cells or battery modules). The barrier preferably includes rigid plates (eg, thermally conductive rigid plates) that are substantially identical in size and shape, such as in 7 , 8th , 9A and 9B shown. The rigid panels are also in an aligned configuration such that the outer edges of one of the pair of rigid panels are substantially aligned with the outer edges of the other of the pair of rigid panels.

Während der Verwendung kann die Expansion der Batterieelemente einen Druckanstieg an den starren Platten verursachen, dem durch die Federelemente entgegengewirkt wird. Wenn die Expansion der Batterieelemente ungleichmäßig ist und zum Beispiel an einer Position auftritt, die einen unsymmetrischen Druck gegen die starren Platten erzeugt, können die starren Platten aus einer ausgerichteten Konfiguration herausgleiten. Um die starren Platten in einer ausgerichteten Konfiguration zu halten, können eine oder mehrere Führungen zwischen dem Paar starrer Platten positioniert werden. Die Führungen sind an jeder der Platten befestigt und halten die Platten davon ab, aus einer ausgerichteten Position herauszugleiten. 10B stellt eine Ausführungsform von zwei Platten 422 dar, wobei eine Führung 427 zwischen den Platten positioniert ist. Eine Führung kann eine Stange oder ein Bolzen sein, der mit jeder der starren Platten verbunden ist und eine seitliche Bewegung der starren Platten zueinander hemmt oder verhindert. Die Führung 427 kann auch einen Anschlag 429 einschließen. Der Anschlag 429 kann eine vollständige Kompression der komprimierbaren Schicht verhindern. Zum Beispiel kann während eines thermischen Durchgehens eine benachbarte Batteriezelle einen Bruch aufweisen, der eine Sprengkraft gegen die komprimierbare Schicht platziert. Diese Kraft kann den Widerstand der Federelemente überwinden, wodurch die starren Elemente miteinander in Kontakt gebracht werden. Das Anordnen eines Anschlags 429 entlang der Führung 427 kann das vollständige Zusammenfallen der komprimierbaren Schicht bei extremen Kräften verhindern, die gegen die starren Platten angelegt werden.During use, the expansion of the battery elements can cause an increase in pressure on the rigid plates, which is counteracted by the spring elements. If the expansion of the battery elements is uneven, for example occurring at a position that creates unbalanced pressure against the rigid plates, the rigid plates may slip out of an aligned configuration. To maintain the rigid plates in an aligned configuration, one or more guides can be positioned between the pair of rigid plates. The guides are attached to each of the panels and keep the panels from sliding out of alignment. 10B 12 illustrates an embodiment of two panels 422 with a guide 427 positioned between the panels. A guide may be a rod or bolt connected to each of the rigid panels that inhibits or prevents lateral movement of the rigid panels relative to one another. The guide 427 can also include a stop 429 . The stop 429 can prevent complete compression of the compressible layer. For example, during a thermal runaway, an adjacent battery cell may have a fracture that places an explosive force against the compressible layer. This force can overcome the resistance of the spring elements, bringing the rigid elements into contact with each other. Placing a stop 429 along the guide 427 can prevent the compressible layer from fully collapsing under extreme forces applied against the rigid plates.

Verwenden der Barrieren innerhalb eines Batteriemoduls oder eines BatteriepacksUsing the barriers within a battery module or battery pack

Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) werden aufgrund ihrer hohen Betriebsspannung, niedrigen Speichereffekten und hoher Energiedichte im Vergleich zu herkömmlichen Batterien als eine der wichtigsten Energiespeichertechnologien betrachtet. Sicherheitsbedenken sind jedoch ein signifikantes Hindernis, das Anwendungen in großem Maßstab von LIBs behindert. Unter Fehlanwendungsbedingungen können exotherme Reaktionen zur Freisetzung von Wärme führen, die nachfolgende unsichere Reaktionen auslösen können. Die Situation verschlechtert sich, da die freigegebene Wärme aus einer unsachgemäß angewendeten Zelle eine Kette von Reaktionen aktivieren kann, wodurch katastrophales thermisches Durchgehen verursacht werden.Lithium-ion batteries (LIBs) are considered as one of the most important energy storage technologies due to their high operating voltage, low storage effects and high energy density compared to conventional batteries. However, security concerns are a significant obstacle hampering large-scale applications of LIBs. Under misuse conditions, exothermic reactions can lead to the release of heat that can trigger subsequent unsafe reactions. The situation worsens because the heat released from an improperly applied cell can activate a chain of reactions, causing catastrophic thermal runaway.

Mit der kontinuierlichen Verbesserung von LIBs im Hinblick auf die Energiedichte wird die Sicherheit bei der Entwicklung von elektrischen Vorrichtungen, z. B. Elektrofahrzeugen, ein immer dringenderes Anliegen. Die Mechanismen, die unter Sicherheitsproblemen leiden, variieren für jede andere Batteriechemie. Die vorliegende Technologie konzentriert sich auf das Anpassen von Barrieren, um günstige thermische und mechanische Eigenschaften zu erhalten. Die Barrieren der vorliegenden Technologie bieten effektive Wärmeableitungsstrategien unter normalen sowie Bedingungen des thermischen Durchgehens, während die Stabilität der LIB unter normalen Betriebsarten sichergestellt wird (z. B. aufgrund von Kompressionsspannungen).With the continuous improvement of LIBs in terms of energy density, safety in the development of electrical devices, e.g. B. electric vehicles, an increasingly urgent concern. The mechanisms that suffer from safety issues vary for each different battery chemistry. The present technology focuses on tailoring barriers to obtain favorable thermal and mechanical properties. The barriers of the present technology provide effective heat dissipation strategies under normal and thermal runaway conditions while ensuring the stability of the LIB under normal operating modes (e.g., due to compressive stresses).

Die hierin offenbarten Barrieren sind nützlich zum Trennen, Isolieren und Schützen von Batteriezellen oder Batteriekomponenten von Batterien jeder Konfiguration, z. B. Beutelzellen, zylindrischen Zellen, prismatischen Zellen sowie Packs und Modulen, die solche Zellen integrieren oder einschließen. Die hierin offenbarten Barrieren eignen sich bei wiederaufladbaren Batterien, z. B. Lithium-Ionen-Batterien, Festkörperbatterien und einer beliebigen anderen Energiespeicherungsvorrichtung oder -technologie, bei denen Trennung, Isolierung und Schutz erforderlich sind.The barriers disclosed herein are useful for separating, isolating, and protecting batteries cells or battery components of batteries of any configuration, e.g. e.g., pouch cells, cylindrical cells, prismatic cells, and packs and modules incorporating or enclosing such cells. The barriers disclosed herein are useful in rechargeable batteries, e.g. B. Lithium-ion batteries, solid state batteries and any other energy storage device or technology where separation, isolation and protection are required.

Kühlsysteme können in Verbindung mit den Barrieren der vorliegenden Offenbarung innerhalb des Batteriemoduls oder Batteriepacks verwendet werden. 16 stellt eine Ausführungsform eines Kühlsystems dar, das mit den Barrieren der vorliegenden Offenbarung verwendet wird. 16 zeigt: Kühlmittelzufluss 1010; Kühlmittelabfluss 1020; Zelle 1030. In 16 sind zwei Batterieelemente (Batteriezellen 1130) durch eine Barriere 1100 getrennt, die eine Isolierschicht 1110 und zwei komprimierbare Schichten 1120 einschließt. Die komprimierbaren Schichten 1120 sind auf gegenüberliegenden Seiten der Isolierschicht 1110 angeordnet. Die Barriere ist zwischen Batterieelementen 1130 angeordnet und expandiert sich durch die Federelemente in Kontakt mit den Batterieelementen. Ein Vorteil der vorliegend offenbarten Barrieren besteht darin, dass die komprimierbare Schicht einen Fluidkanal zwischen den starren Platten definiert. Dieser Fluidkanal kann verwendet werden, um ein Wärmeübertragungsfluid zwischen den einzelnen Batterieelementen (d. h. Batteriezellen oder Batteriemodulen) zu leiten, wie in 16 gezeigt.Cooling systems can be used in conjunction with the barriers of the present disclosure within the battery module or battery pack. 16 Figure 12 illustrates one embodiment of a cooling system used with the barriers of the present disclosure. 16 shows: coolant inflow 1010; coolant drain 1020; Cell 1030. In 16 Two battery elements (battery cells 1130) are separated by a barrier 1100 that includes an insulating layer 1110 and two compressible layers 1120. FIG. The compressible layers 1120 are arranged on opposite sides of the insulating layer 1110 . The barrier is positioned between battery elements 1130 and expands through the spring elements in contact with the battery elements. An advantage of the barriers disclosed herein is that the compressible layer defines a fluid channel between the rigid plates. This fluid channel can be used to direct a heat transfer fluid between the individual battery elements (i.e. battery cells or battery modules), as in 16 shown.

Um eine optimale Fluidströmung durch die Barriere zu erhalten, werden die Federelemente ausgewählt, um einen Fluidkanal mit einer Breite zwischen 1 mm und 5 mm über die Lebensdauer der Batterie aufrechtzuerhalten. Zum Beispiel kann ein Fluidkanal zu Beginn der Lebensdauer der Batterieelemente eine Breite von 5 mm aufweisen, kann sich jedoch am Ende der Lebensdauer der Batterieelemente auf 1 mm zusammenziehen. Durch die Verwendung von Federelementen kann ein Strömungsweg erzeugt werden, während die Federn expandiert werden, wobei das Fluid um und durch die Federelemente strömt.In order to obtain optimal fluid flow through the barrier, the spring elements are selected to maintain a fluid channel with a width between 1mm and 5mm over the life of the battery. For example, a fluid channel may have a width of 5 mm at the beginning of the life of the battery elements, but may contract to 1 mm at the end of the life of the battery elements. Through the use of spring elements, a flow path can be created as the springs are expanded, with fluid flowing around and through the spring elements.

In einer Ausführungsform kann ein elektrisches Leistungssystem ein oder mehrere Batteriemodule und ein Fluidübertragungssystem einschließen, das mit dem Batteriemodul gekoppelt ist. Ein schematisches Diagramm eines elektrischen Leistungssystems ist in 17 dargestellt. Ein elektrisches Leistungssystem 1200 schließt Batterieelemente 1230 ein. Die Batterieelemente 1230 umfassen eine oder mehrere Batteriezellen, die in einem Batteriemodul oder einem oder mehreren Batteriemodulen angeordnet sind, die in einem Batteriepack angeordnet sind. Das Batteriemodul oder das Batteriepack sind so abgedichtet, dass die Batterieelemente in einem abgedichteten Behälter enthalten sind. Die Batteriezellen oder Batteriemodule sind durch eine Barriere der vorliegenden Offenbarung getrennt. Die Barriere schließt eine Isolierschicht und eine oder zwei komprimierbare Schichten ein, wie zuvor beschrieben. Durch die komprimierbare Schicht der Barriere wird ein Fluidkanal definiert.In one embodiment, an electrical power system may include one or more battery modules and a fluid transfer system coupled to the battery module. A schematic diagram of an electrical power system is in 17 shown. An electric power system 1200 includes battery elements 1230 . The battery elements 1230 include one or more battery cells arranged in a battery module or one or more battery modules arranged in a battery pack. The battery module or battery pack is sealed such that the battery elements are contained in a sealed container. The battery cells or battery modules are separated by a barrier of the present disclosure. The barrier includes an insulating layer and one or two compressible layers as previously described. A fluid channel is defined by the compressible layer of the barrier.

Das elektrische Leistungssystem 1200 schließt auch ein Fluidübertragungssystem ein, das eine Wärmeübertragungseinheit 1250 und eine Pumpe 1255 einschließt, die ein Wärmeübertragungsfluid zirkuliert. Die Pumpe 1255 ist mit einem Behälter gekoppelt, der die Batterieelemente 1230 über die Leitung 1262 hält. Das Wärmeübertragungsfluid von der Pumpe strömt durch die Batterieelemente und aus dem Behälter heraus zur Wärmeübertragungseinheit 1270 über die Leitung 1264. Beim Einführen in den Behälter strömt das Fluid durch die komprimierbare Schicht der Barriere, um Wärme zwischen dem Wärmeübertragungsfluid und den Batterieelementen zu übertragen. In dieser Ausführungsform eines elektrischen Leistungssystems ist es bevorzugt, dass die starren Platten der komprimierbaren Schicht aus einem wärmeleitfähigen Material zusammengesetzt sind. In der Wärmeübertragungseinheit wird das Fluid gegebenenfalls erwärmt oder gekühlt, bevor es über die Leitung 1266 zurück an die Pumpe geschickt wird. Beispielhafte Fluidübertragungssysteme, die in elektrischen Leistungssystemen verwendet werden, sind im US-Patent Nr. 8,663,828 ; US-Patent Nr. 9,178,187 ; und US-Patentanmeldung mit Veröffentlichungsnr. 2020/0020998 erläutert, die jeweils durch Bezugnahme hierin aufgenommen sind.The electric power system 1200 also includes a fluid transfer system that includes a heat transfer unit 1250 and a pump 1255 that circulates a heat transfer fluid. Pump 1255 is coupled to a container that holds battery elements 1230 via line 1262 . The heat transfer fluid from the pump flows through the battery elements and out of the container to heat transfer unit 1270 via line 1264. Upon entering the container, the fluid flows through the compressible layer of the barrier to transfer heat between the heat transfer fluid and the battery elements. In this embodiment of an electrical power system, it is preferred that the rigid plates of the compressible layer are composed of a thermally conductive material. In the heat transfer unit, the fluid is optionally heated or cooled before being sent back to the pump via line 1266 . Exemplary fluid transmission systems used in electrical power systems are described in US Pat U.S. Patent No. 8,663,828 ; U.S. Patent No. 9,178,187 ; and US patent application publication no. 2020/0020998, each of which is incorporated herein by reference.

Je nach den Anforderungen des Systems kann das Wärmeübertragungsfluid erwärmt oder gekühlt werden. Zum Beispiel erzeugen die Batterieelemente während der normalen Verwendung Wärme, wenn die elektrische Energie der Vorrichtung zugeführt wird. Das Wärmeübertragungsfluid wird gekühlt, um die erzeugte Wärme von den Batterieelementen zu entfernen. Zum Beispiel kann das Wärmeübertragungsfluid auf eine Temperatur gekühlt werden, die unter der Betriebstemperatur der Batteriezellen liegt, um die Batteriezellen kühl zu halten. In anderen Ausführungsformen kann es erforderlich sein, die Batteriezellen zu erwärmen. Dies kann wichtig werden, wenn sich die Batterieelemente in einer Vorrichtung befinden, die längeren Kalttemperaturen ausgesetzt ist. Es kann daher erforderlich werden, die Batterieelemente vor der Verwendung zu erwärmen, indem ein erwärmtes Fluid (z. B. ein Fluid, das heißer ist als Umgebungstemperatur) durch die Batterieelemente geleitet wird.Depending on the needs of the system, the heat transfer fluid can be heated or cooled. For example, during normal use, the battery elements generate heat when the electrical power is supplied to the device. The heat transfer fluid is cooled to remove the heat generated from the battery elements. For example, the heat transfer fluid may be cooled to a temperature below the operating temperature of the battery cells to keep the battery cells cool. In other embodiments, the battery cells may need to be heated. This can become important when the battery elements are in a device that is exposed to prolonged cold temperatures. It may therefore be necessary to warm the battery elements prior to use by passing a heated fluid (e.g., a fluid hotter than ambient temperature) through the battery elements.

In einer Ausführungsform wird das Wärmeübertragungsfluid in den Behälter eingeleitet, der die Batterieelemente hält, wobei das Fluid durch den Behälter strömt und an einem Auslass austritt, der mit Leitung 1264 gekoppelt ist. Das Fluid kann in einen unteren Abschnitt des Behälters gelangen und aus dem oberen Abschnitt des Behälters strömen oder das Fluid kann in den oberen Abschnitt des Behälters gelangen und aus dem Boden des Behälters ausströmen. Alternativ kann das Fluid in eine Seite des Behälters gelangen und aus einer anderen Seite des Behälters heraus gelangen. Eine Fluidströmung durch die Barriere kann daher lateral (entlang der langen Seite der Batterieelemente) oder vertikal (von der Oberseite zur Unterseite oder von der Unterseite zur Oberseite der Batterieelemente) sein.In one embodiment, the heat transfer fluid is introduced into the container holding the battery elements, with the fluid flowing through the container and exiting at an outlet coupled to line 1264 . The fluid can enter a bottom portion of the container and flow out of the top portion of the container, or the fluid can enter the top portion of the container and flow out the bottom of the container. Alternatively, the fluid can enter one side of the container and exit another side of the container. Fluid flow through the barrier can therefore be lateral (along the long side of the battery elements) or vertical (from the top to the bottom or from the bottom to the top of the battery elements).

Die Federelemente in der Barriere können in einem vorbestimmten Muster angeordnet sein, das, wenn es mit dem Wärmeübertragungsfluid in Kontakt gebracht wird, eine laminare oder turbulente Strömung erzeugt. In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine turbulente Strömung innerhalb der Barriere durch die geeignete Platzierung oder Konfiguration der Federelemente erzeugt. Die Erzeugung einer turbulenten Strömung erhöht die Zeitdauer, für die das Wärmeübertragungsfluid mit den Batterieelementen in Kontakt steht. Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung wird eine turbulente Strömung erzeugt, wenn ein Durchfluss eine Reynolds-Zahl größer als 1000; größer als 1500; größer als 2000; größer als 2500; größer als 3000; größer als 3500; größer als 4000; größer als 4500; oder größer als 5000 aufweist.The spring elements in the barrier may be arranged in a predetermined pattern which, when contacted with the heat transfer fluid, creates laminar or turbulent flow. In a preferred embodiment, turbulent flow is created within the barrier by appropriate placement or configuration of the spring elements. The creation of turbulent flow increases the length of time that the heat transfer fluid is in contact with the battery elements. In the context of the present disclosure, turbulent flow is created when flow has a Reynolds number greater than 1000; greater than 1500; greater than 2000; greater than 2500; greater than 3000; greater than 3500; greater than 4000; greater than 4500; or greater than 5000.

18 zeigt eine schematische Darstellung eines Batteriemoduls oder Batteriepacks 1300. Für ein Batteriemodul ist eine Vielzahl von Batteriezellen 1330 durch Barrieren 1310 getrennt. Für ein Batteriepack ist eine Vielzahl von Batteriemodulen 1330 durch Barrieren 1310 getrennt. Barrieren, wie hierin offenbart, weisen einen oder mehrere Fluidkanäle 1315 auf, die in der komprimierbaren Schicht gebildet sind. Um die Strömung des Wärmeübertragungsfluids in die Fluidkanäle zu optimieren, kann ein Verteiler 1350 innerhalb des Batteriemoduls oder Batteriepacks angeordnet sein. Während der Verwendung wird Fluid von der Pumpe zum Batteriemodul oder Batteriepack übertragen und wird in den Verteiler geleitet. Der Verteiler schließt einen Fluideinlass 1353 und eine Reihe von Auslässen 1355 ein, die mit den Strömungskanälen in den Barrieren ausgerichtet ist. Das Wärmeübertragungsfluid wird dann innerhalb des Verteilers dispergiert und verlässt den Verteiler durch die Reihe von Auslässen. Die Auslässe leiten das Wärmeübertragungsfluid in die innerhalb der Barriere definierten Strömungskanäle. Das gerichtete Wärmeübertragungsfluid strömt dann durch die Fluidkanäle, sodass die Temperatur der Batterieelemente verändert wird. Die Verwendung eines Verteilers kann dazu beitragen, dass der größte Teil des Wärmeübertragungsfluids in die Barriere geleitet wird. Ein Behälterauslass 1360 kann auf einer gegenüberliegenden Seite angeordnet sein, um zu ermöglichen, dass das Wärmeübertragungsfluid den Behälter verlässt, nachdem das Wärmeübertragungsfluid durch die Fluidkanäle strömt. 18 13 shows a schematic representation of a battery module or battery pack 1300. For a battery module, a plurality of battery cells 1330 are separated by barriers 1310. FIG. A plurality of battery modules 1330 are separated by barriers 1310 for a battery pack. Barriers as disclosed herein have one or more fluid channels 1315 formed in the compressible layer. To optimize the flow of heat transfer fluid into the fluid channels, a manifold 1350 may be located within the battery module or battery pack. During use, fluid is transferred from the pump to the battery module or battery pack and is directed into the manifold. The manifold includes a fluid inlet 1353 and a series of outlets 1355 aligned with the flow channels in the barriers. The heat transfer fluid is then dispersed within the manifold and exits the manifold through the series of outlets. The outlets direct the heat transfer fluid into the flow channels defined within the barrier. The directional heat transfer fluid then flows through the fluid channels to change the temperature of the battery elements. Using a distributor can help ensure that most of the heat transfer fluid is directed into the barrier. A tank outlet 1360 may be located on an opposite side to allow the heat transfer fluid to exit the tank after the heat transfer fluid flows through the fluid channels.

Das Wärmeübertragungsfluid kann entweder eine Flüssigkeit oder ein Gas sein. In einer Ausführungsform ist das Wärmeübertragungsfluid ein dielektrisches Fluid. Beispiele für dielektrische Wärmeübertragungsfluida schließen dielektrische Kühlfluida und fluorierte dielektrische Kühlfluida ein. Bevorzugte Wärmeübertragungsfluida sind flüssige Wärmeübertragungsfluida. Wenn ein flüssiges Wärmeübertragungsfluid verwendet wird, ist der Behälter, der die Batterieelemente hält, abgedichtet, um zu verhindern, dass das Fluid aus dem Behälter austritt. Abhängig von der Art des Wärmeübertragungsfluids, das verwendet wird (z. B. Kohlenwasserstofffluid oder fluoriertes Fluid) kann eine Deckschicht die Isolierschicht einkapseln, um einen Abbau der Isolierschicht durch das Wärmeübertragungsfluid zu verhindern.The heat transfer fluid can be either a liquid or a gas. In one embodiment, the heat transfer fluid is a dielectric fluid. Examples of dielectric heat transfer fluids include cooling dielectric fluids and fluorinated cooling dielectric fluids. Preferred heat transfer fluids are liquid heat transfer fluids. When a liquid heat transfer fluid is used, the container holding the battery elements is sealed to prevent the fluid from escaping the container. Depending on the type of heat transfer fluid used (e.g., hydrocarbon fluid or fluorinated fluid), a cap layer may encapsulate the insulating layer to prevent degradation of the insulating layer by the heat transfer fluid.

In einer anderen Ausführungsform ist hierin eine Vorrichtung oder ein Fahrzeug bereitgestellt, die bzw. welches das Batteriemodul oder Batteriepack gemäß einem der vorstehenden Gesichtspunkte einschließt. In einigen Ausführungsformen ist die Vorrichtung ein Laptop-Computer, ein PDA, ein Mobiltelefon, ein Tag-Scanner, eine Audiovorrichtung, eine Videovorrichtung, ein Anzeigefeld, eine Videokamera, eine Digitalkamera, Desktop-Computer, militärische tragbare Computer, militärische Telefone, Laserentfernungsmesser, digitale Kommunikationsvorrichtung, Intelligenz-Erfassungssensor, elektronisch integrierte Kleidung, Nachtsichtausrüstung, Elektrowerkzeug, Rechner, Radio, ferngesteuerte Vorrichtung, GPS-Vorrichtung, Handheld- und tragbares Fernsehen, Autostarter, Taschenlampen, akustische Vorrichtungen, tragbare Heizvorrichtung, tragbarer Staubsauger oder ein tragbares medizinisches Werkzeug. In einigen Ausführungsformen ist das Fahrzeug ein Elektrofahrzeug.In another embodiment, there is provided herein an apparatus or vehicle that includes the battery module or battery pack according to any of the above aspects. In some embodiments, the device is a laptop computer, PDA, cell phone, tag scanner, audio device, video device, display panel, video camera, digital camera, desktop computer, military handheld computer, military phone, laser range finder, digital communication device, intelligence detection sensor, electronically integrated clothing, night vision equipment, power tool, calculator, radio, remote control device, GPS device, handheld and portable television, car starter, flashlight, acoustic device, portable heater, portable vacuum cleaner, or a portable medical tool. In some embodiments, the vehicle is an electric vehicle.

In diesem Patent wurden bestimmte US-Patente, US-Patentanmeldungen und andere Materialien (z. B. Artikel) durch Bezugnahme aufgenommen. Der Text solcher US-Patente, US-Patentanmeldungen und anderer Materialien wird jedoch nur durch Bezug in dem Maße aufgenommen, dass kein Konflikt zwischen einem solchen Text und den anderen hierin dargelegten Aussagen und Zeichnungen besteht. Im Falle eines solchen Konflikts wird dann jeglicher widersprüchliche Text in solchen durch Bezugnahme aufgenommenen US-Patenten, US-Patentanmeldungen und anderen Materialien ausdrücklich nicht in dieses Patent durch Bezugnahme aufgenommen.Certain US patents, US patent applications and other materials (e.g. articles) in this patent are incorporated by reference. However, the text of such US patents, US patent applications, and other materials are incorporated by reference only to the extent that there is no conflict between such text and the other statements and drawings set forth herein. In the event of such a conflict, then any conflicting text in such incorporated US patents, US patent applications and other materials will prevail expressly not incorporated into this patent by reference.

Weitere Modifikationen und alternative Ausführungsformen verschiedener Gesichtspunkte der Erfindung werden dem Fachmann angesichts dieser Beschreibung ersichtlich. Dementsprechend ist diese Beschreibung nur als veranschaulichend zu verstehen und dient dazu, Fachleuten die allgemeine Art und Weise der Durchführung der Erfindung zu lehren. Es versteht sich, dass die hierin gezeigten und beschriebenen Formen der Erfindung als Beispiele von Ausführungsformen zu verstehen sind. Elemente und Materialien können durch die hierin veranschaulichten und beschriebenen ersetzt werden, Teile und Prozesse können umgekehrt werden und bestimmte Merkmale der Erfindung können unabhängig verwendet werden, wobei all dies für den Fachmann ersichtlich wäre, der den Nutzen dieser Beschreibung der Erfindung hat. Änderungen können in den hierin beschriebenen Elementen vorgenommen werden, ohne vom Geist und Umfang der Erfindung, wie in den folgenden Ansprüchen beschrieben, abzuweichen.Further modifications and alternative embodiments of various aspects of the invention will become apparent to those skilled in the art in light of this description. Accordingly, this description is to be construed as illustrative only and is intended to teach those skilled in the art in general manner of carrying out the invention. It should be understood that the forms of the invention shown and described herein are to be understood as examples of embodiments. Elements and materials may be substituted for those illustrated and described herein, parts and processes reversed, and certain features of the invention used independently, all of which would be apparent to those skilled in the art having the benefit of this description of the invention. Changes may be made in the elements described herein without departing from the spirit and scope of the invention as set forth in the following claims.

Die Erfindung kann durch einen der folgenden Aspekte gekennzeichnet sein:

1. 1. Barriere zur Verwendung zwischen Batteriezellen in einem elektrischen Energiespeicherungssystem, wobei die Barriere umfasst:
   • mindestens eine Isolierschicht; und
   • mindestens eine komprimierbare Schicht, die mit der mindestens einen Isolierschicht gekoppelt ist, wobei die komprimierbare Schicht ein Paar starrer Platten und eines oder
   • mehrere Federelemente umfasst, die zwischen den starren Platten angeordnet sind.
2. 2. Barriere nach Aspekt 1, wobei mindestens eine von dem Paar starrer Platten eine wärmeleitfähige Platte ist.
3. 3. Barriere nach Aspekt 2, wobei die wärmeleitfähige Platte eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens etwa 200 mW/m-K aufweist.
4. 4. Barriere nach Aspekt 2 oder 3, wobei die wärmeleitfähige Platte ein Metall umfasst, das aus Aluminium, Kupfer und Edelstahl ausgewählt ist.
5. 5. Barriere nach einem der vorstehenden Aspekte, wobei das Paar starrer Platten im Wesentlichen identisch in Größe und Form ist und wobei das Paar starrer Platten in einer ausgerichteten Konfiguration ist, wobei in einer ausgerichteten Konfiguration die Außenkanten eines des Paares starrer Platten im Wesentlichen mit den Außenkanten des anderen des Paares starrer Platten ausgerichtet sind.
6. 6. Barriere nach Aspekt 5, wobei eine Führung zwischen dem Paar starrer Platten positioniert ist, wobei die Führung die starren Platten in der ausgerichteten Konfiguration hält.
7. 7. Barriere nach einem der vorstehenden Aspekte, wobei das eine oder die mehreren Federelemente einen oder mehrere Auslegerfederelemente umfassen.
8. 8. Barriere nach einem der Aspekte 1 bis 7, wobei das eine oder die mehreren Federelemente eine oder mehrere Spiralfedern umfassen.
9. 9. Barriere nach einem der Aspekte 1 bis 7, wobei das eine oder die mehreren Federelemente eine oder mehrere Bogenfedern umfassen.
10. 10. Barriere nach einem der Aspekte 1 bis 7, wobei das eine oder die mehreren Federelemente eine oder mehrere Wellenfedern umfassen.
11. 11. Barriere nach einem der vorstehenden Aspekte, wobei die Federelemente konfiguriert sind, um die starren Platten gegen benachbarte Batteriezellen in dem elektrischen Energiespeicherungssystem zu pressen.
12. 12. Barriere nach Aspekt 11, wobei die Federelemente eine Federkonstante aufweisen, die den Federelementen ermöglicht, komprimiert zu werden, wenn sich die benachbarten Batteriezellen während der Verwendung expandieren.
13. 13. Barriere nach einem der vorstehenden Aspekte, wobei die eine oder die mehreren Federn zwischen den starren Platten positioniert sind, sodass ein Fluidkanal zwischen den starren Platten gebildet ist.
14. 14. Barriere nach Aspekt 13, wobei zwischen den starren Platten ein Fluidkanal mit einer Breite zwischen 1 mm und 5 mm gebildet ist.
15. 15. Barriere nach einem der vorstehenden Aspekte, wobei die Isolierschicht eine Wärmeleitfähigkeit durch eine Dickenabmessung der Isolierschicht von weniger als etwa 50 mW/m-K bei 25 °C und weniger als etwa 60 mW/m-K bei 600 °C aufweist.
16. 16. Barriere nach einem der vorstehenden Aspekte, wobei die Isolierschicht ein Aerogel umfasst.
17. 17. Barriere nach einem der vorstehenden Aspekte, wobei die Isolierschicht ein Verstärkungsmaterial umfasst.
18. 18. Barriere nach Aspekt 17, wobei das Verstärkungsmaterial eine Faser ist, die aus organischen polymerbasierten Fasern, anorganischen Fasern, kohlenstoffbasierten Fasern oder einer Kombination davon ausgewählt ist.
19. 19. Barriere nach einem der vorstehenden Aspekte, wobei die Isolierschicht einen oder mehrere Zusatzstoffe umfasst, wobei die Zusatzstoffe in einem Gehalt von mindestens etwa 5 bis 20 Gewichtsprozent des Aerogels vorhanden sind.
20. 20. Barriere nach Aspekt 19, wobei der eine oder die mehreren Zusatzstoffe Brandschutzzusatzstoffe umfassen.
21. 21. Barriere nach einem der vorstehenden Aspekte, wobei die Isolierschicht einen Biegemodul von etwa 2 MPa bis etwa 8 MPa aufweist.
22. 22. Barriere nach einem der vorstehenden Aspekte, wobei die Isolierschicht eine Druckfestigkeit aufweist, wobei die Druckfestigkeit bei 25 % Dehnung zwischen etwa 40 kPa und etwa 180 kPa liegt.
23. 23. Barriere nach einem der vorstehenden Aspekte, wobei die Isolierschicht von einer Deckschicht eingekapselt ist.
24. 24. Barriere nach Aspekt 23, wobei die Deckschicht gegenüber einem dielektrischen Kohlenwasserstofffluid inert ist.
25. 25. Barriere nach Aspekt 23 oder 24, wobei die Deckschicht gegenüber einem fluorierten dielektrischen Fluid inert ist.
26. 26. Barriere nach einem der vorstehenden Aspekte, wobei die Barriere eine durchschnittliche Dicke in einem Bereich zwischen etwa 5 mm bis etwa 30 mm in einem unkomprimierten Zustand aufweist, und wobei die Barriere auf eine minimale durchschnittliche Dicke zwischen etwa 2 mm und 10 mm komprimierbar ist.
27. 27. Verwendung der Barriere nach einem der vorstehenden Aspekte in einem Batteriepack, umfassend eine Vielzahl von Batteriemodulen oder in einem Batteriemodul, umfassend eine Vielzahl von Batteriezellen zum thermischen Trennen der Batteriemodule oder der Batteriezellen voneinander.
28. 28. Verwendung nach Aspekt 27, wobei ein Durchgehereignis, das in einer oder mehreren Batteriezellen oder Batteriemodulen eines Teils der Batterie auftritt, keine Beschädigung der Batteriezellen oder Batteriemodule in dem Batteriepack verursacht, die durch die Barriere nach einem der Aspekte 1 bis 25 getrennt sind.
29. 29. Batteriemodul, umfassend:
    • eine Vielzahl von Batteriezellen, und
    • eine oder mehrere Barrieren nach einem der Aspekte 1 bis 26, wobei mindestens eine Barriere zwischen benachbarten Batteriezellen angeordnet ist.
30. 30. Elektrisches Leistungssystem, umfassend ein oder mehrere Batteriemodule wie in Aspekt 31 beschrieben, und ein Fluidübertragungssystem, das mit dem Batteriemodul gekoppelt ist, wobei das Fluidübertragungssystem ein Fluid in das eine oder die mehreren Batteriemodule leitet und das Fluid sammelt, nachdem das Fluid durch das eine oder die mehreren Batteriemodule strömt.
31. 31. Elektrisches Leistungssystem nach Aspekt 30, wobei das Fluidübertragungssystem ein dielektrisches flüssiges Fluid in das Batteriemodul leitet.
32. 32. Elektrisches Leistungssystem nach Aspekt 30, wobei das Fluidübertragungssystem ein dielektrisches Gas in das Batteriemodul leitet.
33. 33. Elektrisches Leistungssystem nach einem der Aspekte 30 bis 32, wobei das Fluid derart erwärmt oder gekühlt wird, dass das Fluid die Vielzahl von Batteriezellen in dem Batteriemodul erwärmt oder kühlt.
34. 34. Elektrisches Leistungssystem nach einem der Aspekte 30 bis 32, wobei die Barrieren Strömungskanäle zwischen benachbarten Paaren von Batteriezellen definieren und wobei das Fluid während der Verwendung durch die Strömungskanäle strömt.
35. 35. Elektrisches Leistungssystem nach Aspekt 34, wobei mindestens eines des einen oder der mehreren Batteriemodule ferner einen Verteiler umfasst, der mit dem Fluidübertragungssystem gekoppelt ist, das einen oder mehrere Anschlüsse aufweist, die mit den Strömungskanälen ausgerichtet sind, wobei während der Verwendung Fluid aus dem Fluidübertragungssystem in den Verteiler geleitet wird und durch den einen oder die mehreren Auslässe in die Strömungskanäle austritt.
36. 36. Elektrisches Leistungssystem nach einem der Aspekte 30 bis 35, wobei das Fluidübertragungssystem eine Kühlkomponente umfasst, wobei die Kühlkomponente die Temperatur des Fluids bei oder unter einer Betriebstemperatur der Batteriezellen aufrechterhält.
37. 37. Elektrisches Leistungssystem, umfassend:
    • ein Batteriepack, wobei das Batteriepack eine Vielzahl von Batteriemodulen wie in Aspekt 29 definiert und Barrieren wie in einem der Aspekte 1 bis 26 definiert umfasst, die zwischen benachbarten Batteriemodulen angeordnet ist; und
    • ein Fluidübertragungssystem, das mit dem Batteriepack gekoppelt ist, wobei das Fluidübertragungssystem ein Fluid in den Batteriepack leitet und das Fluid sammelt, nachdem das Fluid durch den Batteriepack strömt.
38. 38. Elektrisches Leistungssystem nach Aspekt 37, wobei das Fluidübertragungssystem ein dielektrisches flüssiges Fluid in den Batteriepack leitet.
39. 39. Elektrisches Leistungssystem nach Aspekt 37, wobei das Fluidübertragungssystem ein dielektrisches Gas in den Batteriepack leitet.
40. 40. Elektrisches Leistungssystem nach einem der Aspekte 37 bis 39, wobei das Fluid derart erwärmt oder gekühlt wird, dass das Fluid die Batteriemodule in dem Batteriepack erwärmt oder kühlt.
41. 41. Elektrisches Leistungssystem nach einem der Aspekte 37 bis 40, wobei die Barrieren Strömungskanäle zwischen den benachbarten Paaren von Batteriemodulen definieren, wobei das Fluid während der Verwendung durch die Strömungskanäle strömt.
42. 42. Elektrisches Leistungssystem nach Aspekt 41, wobei die Federelemente in den Barrieren zwischen dem Paar starrer Platten angeordnet sind, um eine turbulente Strömung zu erzeugen.
43. 43. Elektrisches Leistungssystem nach Aspekt 42, wobei die turbulente Strömung eine Reynolds-Zahl von größer als 1000 aufweist.
44. 44. Elektrisches Leistungssystem nach einem der Aspekte 41 bis 43, wobei das Batteriepack einen Verteiler umfasst, der mit dem Fluidübertragungssystem gekoppelt ist, das einen oder mehrere Anschlüsse aufweist, die mit den Strömungskanälen ausgerichtet sind, wobei während der Verwendung Fluid aus dem Fluidübertragungssystem in den Verteiler geleitet wird und durch den einen oder die mehreren Auslässe in die Strömungskanäle austritt.
45. 45. Elektrisches Leistungssystem nach einem der Aspekte 37 bis 44, wobei das Fluidübertragungssystem eine Kühlkomponente umfasst, wobei die Kühlkomponente die Temperatur des Fluids bei oder unter einer Betriebstemperatur der Batteriezellen aufrechterhält.
46. 46. Vorrichtung oder Fahrzeug, umfassend den Batteriepack nach einem der Aspekte 37 bis 45.
47. 47. Vorrichtung nach Aspekt 46, wobei die Vorrichtung ein Laptop-Computer, ein PDA, ein Mobiltelefon, ein Tag-Scanner, eine Audiovorrichtung, eine Videovorrichtung, ein Anzeigefeld, eine Videokamera, eine Digitalkamera, Desktop-Computer, militärische tragbare Computer, militärische Telefone, Laserentfernungsmesser, digitale Kommunikationsvorrichtung, Intelligenz-Erfassungssensor, elektronisch integrierte Kleidung, Nachtsichtausrüstung, Elektrowerkzeug, Rechner, Radio, ferngesteuerte Vorrichtung, GPS-Vorrichtung, Handheld- und tragbares Fernsehen, Autostarter, Taschenlampen, akustische Vorrichtungen, tragbare Heizvorrichtung, tragbarer Staubsauger oder ein tragbares medizinisches Werkzeug ist.
48. 48. Fahrzeug nach Aspekt 46, wobei das Fahrzeug ein Elektrofahrzeug ist.

The invention can be characterized by one of the following aspects:

1. 1. A barrier for use between battery cells in an electrical energy storage system, the barrier comprising:
   • at least one insulating layer; and
   • at least one compressible layer coupled to the at least one insulating layer, the compressible layer being a pair of rigid plates and one or
   • comprises a plurality of spring elements arranged between the rigid plates.
2. 2. The barrier of aspect 1, wherein at least one of the pair of rigid plates is a thermally conductive plate.
3. 3. The barrier of aspect 2, wherein the thermally conductive sheet has a thermal conductivity of at least about 200 mW/mK.
4. 4. The barrier of aspect 2 or 3, wherein the thermally conductive plate comprises a metal selected from aluminium, copper and stainless steel.
5. 5. The barrier of any preceding aspect, wherein the pair of rigid panels are substantially identical in size and shape and wherein the pair of rigid panels is in an aligned configuration, wherein in an aligned configuration the outer edges of one of the pair of rigid panels are substantially aligned with the outer edges of the other of the pair of rigid plates are aligned.
6. 6. The barrier of aspect 5, wherein a guide is positioned between the pair of rigid panels, the guide holding the rigid panels in the aligned configuration.
7. 7. The barrier of any preceding aspect, wherein the one or more spring elements comprise one or more cantilever spring elements.
8. 8. The barrier of any one of aspects 1 to 7, wherein the one or more spring elements comprise one or more coil springs.
9. 9. The barrier of any one of aspects 1 to 7, wherein the one or more spring elements comprise one or more arc springs.
10. 10. The barrier of any one of aspects 1 to 7, wherein the one or more spring elements comprise one or more wave springs.
11. 11. The barrier of any preceding aspect, wherein the spring elements are configured to press the rigid plates against adjacent battery cells in the electrical energy storage system.
12. 12. The barrier of aspect 11, wherein the spring elements have a spring constant that allows the spring elements to be compressed as the adjacent battery cells expand during use.
13. 13. The barrier of any preceding aspect, wherein the one or more springs are positioned between the rigid plates such that a fluid channel is formed between the rigid plates.
14. 14. The barrier of aspect 13 wherein a fluid channel having a width between 1mm and 5mm is formed between the rigid plates.
15. 15. The barrier of any preceding aspect, wherein the insulating layer has a thermal conductivity through a thickness dimension of the insulating layer of less than about 50 mW/mK at 25°C and less than about 60 mW/mK at 600°C.
16. 16. The barrier of any preceding aspect, wherein the insulating layer comprises an aerogel.
17. 17. The barrier of any preceding aspect, wherein the insulating layer comprises a reinforcing material.
18. 18. The barrier of aspect 17, wherein the reinforcing material is a fiber selected from organic polymer-based fibers, inorganic fibers, carbon-based fibers or a combination thereof.
19. 19. The barrier of any preceding aspect, wherein the insulating layer comprises one or more additives, the additives being present at a level of at least about 5 to 20 percent by weight of the airgel.
20. 20. The barrier of aspect 19, wherein the one or more additives comprise flame retardant additives.
21. 21. The barrier of any preceding aspect, wherein the insulating layer has a flexural modulus of from about 2 MPa to about 8 MPa.
22. 22. The barrier of any preceding aspect, wherein the insulating layer has a compressive strength, wherein the compressive strength at 25% elongation is between about 40 kPa and about 180 kPa.
23. 23. The barrier of any preceding aspect, wherein the insulating layer is encapsulated by a cap layer.
24. 24. The barrier of aspect 23 wherein the top layer is inert to a hydrocarbon dielectric fluid.
25. 25. The barrier of aspect 23 or 24 wherein the top layer is inert to a fluorinated dielectric fluid.
26. 26. The barrier of any preceding aspect, wherein the barrier has an average thickness in a range of between about 5mm to about 30mm in an uncompressed state, and wherein the barrier is compressible to a minimum average thickness of between about 2mm and 10mm .
27. 27. Use of the barrier according to one of the preceding aspects in a battery pack comprising a multiplicity of battery modules or in a battery module comprising a multiplicity of battery cells for thermally separating the battery modules or the battery cells from one another.
28. 28. Use according to aspect 27, wherein a runaway event occurring in one or more battery cells or battery modules of a portion of the battery does not cause damage to the battery cells or battery modules in the battery pack that are separated by the barrier of any one of aspects 1 to 25.
29. 29. Battery module comprising:
    • a variety of battery cells, and
    • one or more barriers according to any one of aspects 1 to 26, wherein at least one barrier is arranged between adjacent battery cells.
30. 30. An electrical power system comprising one or more battery modules as described in aspect 31, and a fluid transfer system coupled to the battery module, wherein the fluid transfer system directs a fluid into the one or more battery modules and collects the fluid after the fluid passes through the one or more battery modules is flowing.
31. 31. The electrical power system of aspect 30, wherein the fluid transfer system directs a dielectric liquid fluid into the battery module.
32. 32. The electrical power system of aspect 30, wherein the fluid transfer system directs a dielectric gas into the battery module.
33. 33. The electrical power system of any one of aspects 30-32, wherein the fluid is heated or cooled such that the fluid heats or cools the plurality of battery cells in the battery module.
34. 34. The electrical power system of any one of aspects 30-32, wherein the barriers define flow channels between adjacent pairs of battery cells and wherein fluid flows through the flow channels during use.
35. 35. The electrical power system of aspect 34, wherein at least one of the one or more battery modules further comprises a manifold coupled to the fluid transfer system having one or more ports aligned with the flow channels, during use fluid from the Fluid transfer system is directed into the manifold and exits through the one or more outlets into the flow channels.
36. 36. The electrical power system of any one of aspects 30-35, wherein the fluid transfer system includes a cooling component, the cooling component maintaining the temperature of the fluid at or below an operating temperature of the battery cells.
37. 37. Electrical power system comprising:
    • a battery pack, the battery pack comprising a plurality of battery modules as defined in aspect 29 and barriers as defined in any one of aspects 1 to 26 disposed between adjacent battery modules; and
    • a fluid transfer system coupled to the battery pack, the fluid transfer system directing a fluid into the battery pack and collects the fluid after the fluid flows through the battery pack.
38. 38. The electrical power system of aspect 37, wherein the fluid transfer system directs a dielectric liquid fluid into the battery pack.
39. 39. The electrical power system of aspect 37, wherein the fluid transfer system directs a dielectric gas into the battery pack.
40. 40. The electrical power system of any one of aspects 37 to 39, wherein the fluid is heated or cooled such that the fluid heats or cools the battery modules in the battery pack.
41. 41. The electrical power system of any one of aspects 37-40, wherein the barriers define flow channels between the adjacent pairs of battery modules, the fluid flowing through the flow channels during use.
42. 42. The electrical power system of aspect 41, wherein the spring elements are disposed in the barriers between the pair of rigid plates to create turbulent flow.
43. 43. The electrical power system of aspect 42, wherein the turbulent flow has a Reynolds number greater than 1000.
44. 44. The electrical power system of any one of aspects 41 to 43, wherein the battery pack includes a manifold coupled to the fluid transfer system having one or more ports aligned with the flow channels, during use fluid flowing from the fluid transfer system into the Manifold is directed and exits through the one or more outlets into the flow channels.
45. 45. The electrical power system of any one of aspects 37-44, wherein the fluid transfer system includes a cooling component, the cooling component maintaining the temperature of the fluid at or below an operating temperature of the battery cells.
46. 46. A device or vehicle comprising the battery pack of any one of aspects 37 to 45.
47. 47. The device of aspect 46, wherein the device is a laptop computer, a PDA, a cellular phone, a tag scanner, an audio device, a video device, a display panel, a video camera, a digital camera, desktop computers, military portable computers, military Telephones, laser range finders, digital communication device, intelligence detection sensor, electronically integrated clothing, night vision equipment, power tool, calculator, radio, remote control device, GPS device, handheld and portable television, car starters, flashlights, acoustic devices, portable heater, portable vacuum cleaner or a portable medical tool.
48. 48. The vehicle of aspect 46, wherein the vehicle is an electric vehicle.

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• Applications of Solid-State NMR to the Study of Organic/Inorganic Multicomponent Materials“ von Geppi et al., insbesondere Seite 7-9 (Appl. Spec. Rev. (2008), 44-1: 1-89 [0101]Applications of Solid-State NMR to the Study of Organic/Inorganic Multicomponent Materials” by Geppi et al., in particular pages 7-9 (Appl. Spec. Rev. (2008), 44-1: 1-89 [0101]

Claims (60)

Barriereelement (400) zur Verwendung in elektrischen Leistungssystemen, wobei das Barriereelement (400) umfasst: mindestens eine Isolierschicht (410); und mindestens eine komprimierbare Schicht (420), wobei die komprimierbare Schicht (420) ein Paar starrer Platten (422) und eins oder mehrere Federelemente (425) umfasst, die zwischen den starren Platten (422) angeordnet sind.A barrier element (400) for use in electrical power systems, the barrier element (400) comprising: at least one insulating layer (410); and at least one compressible layer (420), wherein the compressible layer (420) comprises a pair of rigid plates (422) and one or more spring elements (425) disposed between the rigid plates (422). Barriereelement (400) nach Anspruch 1, wobei das Barriereelement (400) dazu ausgelegt ist, zwischen zwei benachbarten Batterieelementen (430) angeordnet zu sein.Barrier element (400) after claim 1 , wherein the barrier element (400) is adapted to be arranged between two adjacent battery elements (430). Barriereelement (400) nach Anspruch 2, wobei das Barriereelement (400) dazu ausgelegt ist, eine thermische Isolierung der benachbarten Batterieelemente (430) bereitzustellen und/oder eine Kompression aufgrund von Expansion der benachbarten Batterieelemente (430) aufzunehmen und/oder die starren Platten (422) gegen die benachbarten Batterieelemente (430) zu drängen.Barrier element (400) after claim 2 , wherein the barrier element (400) is adapted to provide thermal insulation of the adjacent battery elements (430) and/or accommodate compression due to expansion of the adjacent battery elements (430) and/or the rigid plates (422) against the adjacent battery elements ( 430) to urge. Barriereelement (400) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Paar starrer Platten (422) mindestens einen Fluidkanal definiert, der optional eine Breite zwischen 1 mm und 5 mm aufweist.A barrier member (400) according to any one of the preceding claims, wherein the pair of rigid plates (422) define at least one fluid channel, optionally having a width between 1mm and 5mm. Barriereelement (400) nach Anspruch 4, wobei die Federelemente (425) in dem mindestens einen Fluidkanal angeordnet sind.Barrier element (400) after claim 4 , wherein the spring elements (425) are arranged in the at least one fluid channel. Barriereelement (400) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Federelemente (425) dazu ausgelegt und/oder angeordnet sind, die laminare Strömung zu reduzieren und/oder die turbulente Strömung eines Fluids, das zwischen dem Paar starrer Platten (422) strömt, zu erhöhen.A barrier member (400) as claimed in any preceding claim, wherein the spring members (425) are constructed and/or arranged to reduce laminar flow and/or turbulent flow of a fluid flowing between the pair of rigid plates (422). increase. Barriereelement (400) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Federelemente (425) an mindestens einer der starren Platten (422) eines jeden Paares befestigt sind.A barrier member (400) as claimed in any preceding claim, wherein the spring members (425) are attached to at least one of the rigid plates (422) of each pair. Barriereelement (400) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eins oder mehrere Federelemente (425) vorzugsweise aus Kompressionsfedern, einschließlich, aber nicht beschränkt auf konstante Kompressionsfedern, variable Kompressionsfedern, flache Kompressionsfedern, schlangenförmige Kompressionsfedern, Spiralkompressionsfedern, Kegelkompressionsfedern, Wellenfedern, Linearfedern, Bogenfedern, Schraubenfedern, Auslegerfedern oder Kombinationen davon ausgewählt sind.A barrier element (400) as claimed in any preceding claim, wherein one or more spring elements (425) are preferably composed of compression springs including but not limited to constant compression springs, variable compression springs, flat compression springs, serpentine compression springs, helical compression springs, cone compression springs, wave springs, linear springs, arc springs, Coil springs, cantilever springs, or combinations thereof are selected. Barriereelement (400) nach Anspruch 8, wobei das eine oder die mehreren Federelemente (425) lineare Wellenfedern umfassen oder daraus ausgewählt sind.Barrier element (400) after claim 8 wherein the one or more spring elements (425) comprise or are selected from linear wave springs. Barriereelement (400) nach Anspruch 9, wobei mindestens zwei lineare Wellenfedern zwischen dem Paar starrer Platten (422) angeordnet und gegeneinander in der Ebene der starren Platten (422) versetzt sind, um vorzugsweise die turbulente Strömung eines Fluids, das zwischen dem Paar starrer Platten (422) strömt, zu erhöhen.Barrier element (400) after claim 9 wherein at least two linear wave springs are disposed between the pair of rigid plates (422) and are offset from one another in the plane of the rigid plates (422) for preferentially increasing turbulent flow of a fluid flowing between the pair of rigid plates (422). . Barriereelement (400) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das eine oder die mehreren Federelemente (425) Bogenfedern umfassen oder daraus ausgewählt sind.A barrier element (400) according to any one of the preceding claims, wherein the one or more spring elements (425) comprise or are selected from arc springs. Barriereelement (400) nach Anspruch 11, wobei mindestens zwei Bogenfedern zwischen dem Paar starrer Platten (422) angeordnet und in der Ebene der starren Platten (422) miteinander ausgerichtet sind.Barrier element (400) after claim 11 wherein at least two arc springs are disposed between the pair of rigid plates (422) and are aligned with one another in the plane of the rigid plates (422). Barriereelement (400) nach Anspruch 11 oder 12, wobei die Bogenfedern an ihren Enden an einer der starren Platten (422) und an ihrer Mitte an der anderen der starren Platten (422) durch Schweißen, Klebstoffe oder Befestigungselemente befestigt sind, wobei die Befestigungselemente optional Vertiefungen sind, die in den starren Platten (422) gebildet und dazu ausgelegt sind, die Enden bzw. die Mitte der Bogenelemente aufzunehmen.Barrier element (400) after claim 11 or 12 , the arc springs being attached at their ends to one of the rigid plates (422) and at their middle to the other of the rigid plates (422) by welding, adhesives or fasteners, the fasteners optionally being indentations formed in the rigid plates ( 422) and designed to receive the ends and middle of the arcuate elements respectively. Barriereelement (400) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das eine oder die mehreren Federelemente (425) Auslegerfedern umfassen oder daraus ausgewählt sind.A barrier member (400) according to any one of the preceding claims, wherein the one or more spring elements (425) comprise or are selected from cantilever springs. Barriereelement (400) nach Anspruch 14, wobei die Auslegerfedern als Laschen gebildet sind, die von der Innenoberfläche von einer oder beiden des Paares starrer Platten (422) vorstehen oder daran befestigt sind.Barrier element (400) after Claim 14 wherein the cantilever springs are formed as tabs projecting from or attached to the inner surface of one or both of the pair of rigid plates (422). Barriereelement (400) nach Anspruch 15, wobei eine oder beide der starren Platten (422) eine Vielzahl von Laschen (625) umfasst, die auf ihrer Innenoberfläche angeordnet sind, wobei die Laschen (625) in einer Anordnung angeordnet sind, die dazu ausgelegt ist, die laminare Strömung zu reduzieren und/oder die turbulente Strömung eines Fluids, das zwischen dem Paar starrer Platten (422) strömt, zu erhöhen.Barrier element (400) after claim 15 wherein one or both of the rigid plates (422) includes a plurality of tabs (625) disposed on its inner surface, the tabs (625) being arranged in an arrangement adapted to reduce laminar flow and /or to increase the turbulent flow of a fluid flowing between the pair of rigid plates (422). Barriereelement (400) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das eine oder die mehreren Federelemente (425) Schraubenfedern umfassen oder daraus ausgewählt sind.A barrier element (400) according to any one of the preceding claims, wherein the one or more spring elements (425) comprise or are selected from coil springs. Barriereelement (400) nach Anspruch 17, wobei die Schraubenfedern auf der Innenoberfläche von einer oder beiden der starren Platten (422) angeordnet sind.Barrier element (400) after Claim 17 wherein the coil springs are disposed on the inner surface of one or both of the rigid plates (422). Barriereelement (400) nach Anspruch 17 oder 18, wobei eine oder beide der starren Platten (422) eine Vielzahl von Schraubenfedern umfassen, die auf ihrer Innenoberfläche angeordnet ist.Barrier element (400) after Claim 17 or 18 wherein one or both of the rigid plates (422) includes a plurality of coil springs disposed on its inner surface. Barriereelement (400) nach einem der Ansprüche 17 bis 19, wobei die Schraubenfedern hohl oder massiv sind.Barrier element (400) according to one of claims 17 until 19 , the coil springs being hollow or solid. Barriereelement (400) nach einem der Ansprüche 17 bis 20, wobei die Schraubenfedern Kegelkompressionsfedern umfassen oder daraus ausgewählt sind.Barrier element (400) according to one of claims 17 until 20 wherein the coil springs comprise or are selected from cone compression springs. Barriereelement (400) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Federelemente (425) aus einem elastischen Material bestehen, das vorzugsweise aus einem Polymer oder einem Metall, noch bevorzugter Edelstahl ausgewählt ist.A barrier element (400) according to any one of the preceding claims, wherein the spring elements (425) consist of an elastic material, which is preferably selected from a polymer or a metal, more preferably stainless steel. Barriereelement (400) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei mindestens eine des Paares starrer Platten (422) eine wärmeleitfähige Platte ist.A barrier member (400) according to any one of the preceding claims, wherein at least one of the pair of rigid plates (422) is a thermally conductive plate. Barriereelement (400) nach Anspruch 23, wobei die wärmeleitfähige Platte eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens etwa 200 mW/m-K aufweist.Barrier element (400) after Claim 23 , wherein the thermally conductive plate has a thermal conductivity of at least about 200 mW/mK. Barriereelement (400) nach einem der Ansprüche 23 oder 24, wobei die wärmeleitfähige Platte mindestens eine Schicht aus wärmeleitfähigen Materialien umfasst oder daraus besteht, die eine Wärmeleitfähigkeit aufweisen, die größer ist als die Wärmeleitfähigkeit der Isolierschicht (410), wobei das Material ein Metall, eine Carbonfaser, Graphit, Siliciumcarbid, ein Polymer oder Kombinationen davon einschließt.Barrier element (400) according to one of Claims 23 or 24 , wherein the thermally conductive plate comprises or consists of at least one layer of thermally conductive materials having a thermal conductivity greater than the thermal conductivity of the insulating layer (410), the material being a metal, carbon fiber, graphite, silicon carbide, a polymer, or combinations of which includes. Barriereelement (400) nach Anspruch 25, wobei das Metall aus Aluminium, Kupfer und Edelstahl oder Kombinationen davon ausgewählt ist.Barrier element (400) after Claim 25 , wherein the metal is selected from aluminum, copper and stainless steel or combinations thereof. Barriereelement (400) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die starren Platten (422) eines jeden Paares in Größe und Form im Wesentlichen identisch sind.A barrier member (400) as claimed in any preceding claim, wherein the rigid plates (422) of each pair are substantially identical in size and shape. Barriereelement (400) nach Anspruch 27, wobei die Außenkanten der ersten starren Platte eines jeden Paares im Wesentlichen mit den Außenkanten der zweiten starren Platte eines jeden Paares ausgerichtet sind.Barrier element (400) after Claim 27 wherein the outer edges of the first rigid panel of each pair are substantially aligned with the outer edges of the second rigid panel of each pair. Barriereelement (400) nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner umfassend ein Führungselement (427), das zwischen den starren Platten (422) eines jeden Paares positioniert und vorzugsweise an mindestens einer Platte davon befestigt ist, wobei das Führungselement (427) dazu ausgelegt ist, die starren Platten zu verbinden und/oder die seitliche Bewegung der starren Platten (422) eines jeden Paares zu verhindern.A barrier member (400) according to any one of the preceding claims, further comprising a guide member (427) positioned between the rigid plates (422) of each pair and preferably attached to at least one plate thereof, the guide member (427) being adapted to to connect the rigid panels and/or to prevent lateral movement of the rigid panels (422) of each pair. Barriereelement (400) nach Anspruch 29, wobei das Führungselement (427) einen Anschlag einschließt, der dazu ausgelegt ist, eine vollständige Kompression der komprimierbaren Schicht (420) zu verhindern.Barrier element (400) after claim 29 wherein the guide element (427) includes a stop adapted to prevent complete compression of the compressible layer (420). Barriereelement (400) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine Isolierschicht (410) eine Wärmeleitfähigkeit durch eine Dickenabmessung der Isolierschicht (410) von weniger als etwa 50 mW/m-K bei 25 °C und weniger als etwa 60 mW/m-K bei 600 °C aufweist.Barrier element (400) according to one of the preceding claims, wherein the at least one insulating layer (410) has a thermal conductivity through a thickness dimension of the insulating layer (410) of less than about 50 mW / m-K at 25 ° C and less than about 60 mW / m-K at 600 °C. Barriereelement (400) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine Isolierschicht (410) ein Material umfasst, das aus einem Aerogel, Glimmer, mikroporösem Siliciumdioxid, einer Keramikfaser, Mineralwolle und Kombinationen davon ausgewählt ist, wobei vorzugsweise die mindestens eine Isolierschicht (410) ein Aerogel umfasst.Barrier element (400) according to one of the preceding claims, wherein the at least one insulating layer (410) comprises a material selected from an aerogel, mica, microporous silica, a ceramic fibre, mineral wool and combinations thereof, wherein preferably the at least one insulating layer (410 ) comprises an airgel. Barriereelement (400) nach Anspruch 32, wobei das Aerogel aus organischen oder anorganischen Aerogelen oder Gemischen davon ausgewählt ist.Barrier element (400) after Claim 32 , wherein the airgel is selected from organic or inorganic aerogels or mixtures thereof. Barriereelement (400) nach Anspruch 32, wobei das anorganische Aerogel ein siliciumdioxidbasiertes Aerogel ist, das optional eine durchschnittliche Porengröße von mehr als 50 nm im Durchmesser aufweist.Barrier element (400) after Claim 32 , wherein the inorganic airgel is a silica-based airgel, optionally having an average pore size greater than 50 nm in diameter. Barriereelement (400) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine Isolierschicht (410) ein Verstärkungsmaterial umfasst.A barrier element (400) according to any one of the preceding claims, wherein the at least one insulating layer (410) comprises a reinforcing material. Barriereelement (400) nach Anspruch 35, wobei das Verstärkungsmaterial eine Faser ist, die aus organischen polymerbasierten Fasern, anorganischen Fasern, kohlenstoffbasierten Fasern oder einer Kombination davon ausgewählt ist.Barrier element (400) after Claim 35 wherein the reinforcing material is a fiber selected from organic polymer-based fibers, inorganic fibers, carbon-based fibers, or a combination thereof. Barriereelement (400) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine Isolierschicht (410) einen oder mehrere Zusatzstoffe umfasst, wobei die Zusatzstoffe optional in einem Gehalt von mindestens 5 bis 20 Gewichtsprozent des Aerogels vorhanden sind.A barrier element (400) according to any one of the preceding claims, wherein the at least one insulating layer (410) comprises one or more additives, the additives being optionally present at a level of at least 5 to 20% by weight of the airgel. Barriereelement (400) nach Anspruch 37, wobei der eine oder die mehreren Zusatzstoffe endothermische Zusatzstoffe, Trübungsmittel, Brandschutzzusatzstoffe oder Kombinationen davon umfassen.Barrier element (400) after Claim 37 wherein the one or more additives comprise endothermic additives, opacifiers, fire retardant additives, or combinations thereof. Barriereelement (400) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine Isolierschicht (410) einen Biegemodul von etwa 2 MPa bis etwa 8 MPa aufweist.The barrier element (400) according to any one of the preceding claims, wherein the at least one insulating layer (410) has a flexural modulus of from about 2 MPa to about 8 MPa. Barriereelement (400) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine Isolierschicht (410) eine Druckfestigkeit aufweist, wobei die Druckfestigkeit bei 25 % Dehnung zwischen etwa 40 kPa und etwa 180 kPa liegt.The barrier member (400) of any preceding claim, wherein said at least one insulating layer (410) has a compressive strength, said compressive strength at 25% elongation being between about 40 kPa and about 180 kPa. Barriereelement (400) nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner umfassend mindestens eine Deckschicht.Barrier element (400) according to any one of the preceding claims, further comprising at least one cover layer. Barriereelement (400) nach Anspruch 41, wobei die Deckschicht auf der mindestens einen Isolierschicht (410) angeordnet ist und/oder diese einkapselt und optional mit Klebstoffen oder nicht klebenden Befestigungsmitteln auf der Isolierschicht bzw. den Isolierschichten (410) befestigt ist.Barrier element (400) after Claim 41 wherein the cover layer is disposed on and/or encapsulates the at least one insulating layer (410) and is optionally secured to the insulating layer or layers (410) with adhesives or non-adhesive fasteners. Barriereelement (400) nach Anspruch 42, wobei die mindestens eine Deckschicht gegenüber einem dielektrischen Kohlenwasserstofffluid und/oder einem fluorinierten dielektrischen Fluid inert ist.Barrier element (400) after Claim 42 wherein the at least one cap layer is inert to a hydrocarbon dielectric fluid and/or a fluorinated dielectric fluid. Barriereelement (400) nach einem der Ansprüche 41 bis 43, wobei die Deckschicht ein Verstärkungsmaterial, ein Metall, ein metallisiertes Material, ein Vliesmaterial, ein Polymermaterial, einschließlich Fluorpolymermaterialien, Automobilharzen und Polymeren umfasst oder daraus besteht.Barrier element (400) according to one of Claims 41 until 43 wherein the cover layer comprises or consists of a reinforcing material, a metal, a metallized material, a nonwoven material, a polymeric material including fluoropolymeric materials, automotive resins and polymers. Barriereelement (400) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Barriereelement (400) mindestens eine Isolierschicht (410) und mindestens eine komprimierbare Schicht (420), die nebeneinander angeordnet sind, umfasst oder daraus besteht.Barrier element (400) according to one of the preceding claims, wherein the barrier element (400) comprises or consists of at least one insulating layer (410) and at least one compressible layer (420) arranged next to one another. Barriereelement (400) nach Anspruch 45, wobei die mindestens eine Isolierschicht (410) und die mindestens eine komprimierbare Schicht (420) miteinander in Kontakt sind, wobei vorzugsweise die mindestens eine Isolierschicht (410) und die mindestens eine komprimierbare Schicht (420) aneinander befestigt sind.Barrier element (400) after Claim 45 wherein the at least one insulating layer (410) and the at least one compressible layer (420) are in contact with one another, preferably wherein the at least one insulating layer (410) and the at least one compressible layer (420) are attached to one another. Barriereelement (400) nach Anspruch 46, wobei die mindestens eine Isolierschicht (410) mit Klebstoff oder einem nicht klebenden Befestigungsmittel an der mindestens einen komprimierbaren Schicht (420) befestigt ist.Barrier element (400) after Claim 46 wherein the at least one insulating layer (410) is attached to the at least one compressible layer (420) with adhesive or a non-adhesive fastener. Barriereelement (400) nach einem der Ansprüche 45 bis 47, wobei das Barriereelement (400) aus einer Isolierschicht (410) besteht, die an einer komprimierbaren Schicht (420) befestigt ist.Barrier element (400) according to one of Claims 45 until 47 wherein the barrier element (400) consists of an insulating layer (410) attached to a compressible layer (420). Barriereelement (400) nach einem der Ansprüche 45 bis 48, wobei das Barriereelement (400) eine Isolierschicht (410) umfasst oder daraus besteht, die zwischen zwei komprimierbaren Schichten (420) angeordnet ist.Barrier element (400) according to one of Claims 45 until 48 , wherein the barrier element (400) comprises or consists of an insulating layer (410) which is arranged between two compressible layers (420). Barriereelement (400) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Barriereelement (400) eine durchschnittliche Dicke zwischen 5 mm und 30 mm in einem nicht komprimierten Zustand aufweist und wobei die Barriere auf eine durchschnittliche Mindestdicke zwischen 2 und 10 mm komprimierbar ist.A barrier element (400) according to any one of the preceding claims, wherein the barrier element (400) has an average thickness of between 5mm and 30mm in an uncompressed state and wherein the barrier is compressible to an average minimum thickness of between 2 and 10mm. Batteriemodul, umfassend: eine Vielzahl von Batteriezellen (1330), und ein oder mehrere Barriereelemente (1310) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei mindestens ein Barriereelement zwischen benachbarten Batteriezellen (1330) angeordnet ist.Battery module comprising: a plurality of battery cells (1330), and one or more barrier elements (1310) according to any one of the preceding claims, wherein at least one barrier element is arranged between adjacent battery cells (1330). Elektrisches Leistungssystem (1200), umfassend: mindestens ein Batteriemodul nach Anspruch 51; und ein Fluidübertragungssystem, das mit dem Batteriemodul gekoppelt ist, wobei das Fluidübertragungssystem ein Fluid in das eine oder die mehreren Batteriemodule leitet und das Fluid sammelt, nachdem das Fluid durch das eine oder die mehreren Batteriemodule strömt.An electrical power system (1200) comprising: at least one battery module according to Claim 51 ; and a fluid transfer system coupled to the battery module, the fluid transfer system directing fluid into the one or more battery modules and collecting the fluid after the fluid flows through the one or more battery modules. Elektrisches Leistungssystem nach Anspruch 52, wobei das Fluid eine dielektrische Flüssigkeit oder ein dielektrisches Gas ist.Electrical power system after Claim 52 , where the fluid is a dielectric liquid or a dielectric gas. Elektrisches Leistungssystem nach Anspruch 52 oder 53, wobei das Fluid derart erwärmt oder gekühlt wird, dass das Fluid die Vielzahl von Batteriezellen (1330) in dem Batteriemodul erwärmt bzw. kühlt.Electrical power system after Claim 52 or 53 wherein the fluid is heated or cooled such that the fluid heats or cools the plurality of battery cells (1330) in the battery module. Elektrisches Leistungssystem nach einem der Ansprüche 52 bis 54, wobei die Barriereelemente (400) Strömungskanäle zwischen benachbarten Paaren von Batteriezellen (1330) definieren und wobei das Fluid während der Verwendung durch die Strömungskanäle strömt.Electrical power system according to any one of Claims 52 until 54 wherein the barrier members (400) define flow channels between adjacent pairs of battery cells (1330), and wherein fluid flows through the flow channels during use. Elektrisches Leistungssystem nach einem der Ansprüche 52 bis 55, wobei mindestens eins der Batteriemodule ferner einen Verteiler (1350) umfasst, der mit dem Fluidübertragungssystem gekoppelt ist, das einen oder mehrere Auslässe (1355) aufweist, die mit den Strömungskanälen ausgerichtet sind, wobei der Verteiler dazu ausgelegt ist, Fluid aus dem Fluidübertragungssystem aufzunehmen und durch den einen oder die mehreren Auslässe (1355) in die Strömungskanäle abzugeben.Electrical power system according to any one of Claims 52 until 55 wherein at least one of the battery modules further comprises a manifold (1350) coupled to the fluid transfer system having one or more outlets (1355) communicating with the flow channels wherein the manifold is adapted to receive fluid from the fluid transfer system and deliver it through the one or more outlets (1355) into the flow channels. Elektrisches Leistungssystem nach einem der Ansprüche 52 bis 56, wobei das Fluidübertragungssystem eine Kühlkomponente umfasst, wobei die Kühlkomponente dazu ausgelegt ist, die Temperatur des Fluids bei oder unter einer Betriebstemperatur der Batteriezellen (430) aufrechtzuerhalten.Electrical power system according to any one of Claims 52 until 56 wherein the fluid transfer system includes a cooling component, the cooling component being configured to maintain the temperature of the fluid at or below an operating temperature of the battery cells (430). Vorrichtung oder Fahrzeug, umfassend den Batteriepack nach Anspruch 51 oder das elektrische Leistungssystem nach einem der Ansprüche 52 bis 56.Device or vehicle comprising the battery pack according to Claim 51 or the electrical power system according to any one of Claims 52 until 56 . Vorrichtung nach Anspruch 58, wobei die Vorrichtung ein Laptop-Computer, ein PDA, ein Mobiltelefon, ein Tag-Scanner, eine Audiovorrichtung, eine Videovorrichtung, ein Anzeigefeld, eine Videokamera, eine Digitalkamera, ein Desktop-Computer, ein Laserentfernungsmesser, eine digitale Kommunikationsvorrichtung, ein Intelligenz-Erfassungssensor, elektronisch integrierte Kleidung, eine Nachtsichtausrüstung, ein Elektrowerkzeug, ein Rechner, ein Radio, eine ferngesteuerte Vorrichtung, eine GPS-Vorrichtung, Handheld- und tragbares Fernsehen, ein Autostarter, Taschenlampen, akustische Vorrichtungen, eine tragbare Heizvorrichtung, ein tragbarer Staubsauger oder ein tragbares medizinisches Werkzeug ist.device after Claim 58 , wherein the device is a laptop computer, a PDA, a cellular phone, a tag scanner, an audio device, a video device, a display panel, a video camera, a digital camera, a desktop computer, a laser range finder, a digital communication device, an intelligence Detection sensor, electronically integrated clothing, night vision equipment, power tool, calculator, radio, remote control device, GPS device, handheld and portable television, car starter, flashlight, acoustic device, portable heater, portable vacuum cleaner or a portable medical tool. Vorrichtung nach Anspruch 59, wobei das Fahrzeug ein Elektrofahrzeug ist.device after Claim 59 , wherein the vehicle is an electric vehicle.

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